/
Текст
эишл
Chipmaker.ru
СПРАВОЧНИК
МЕТАЛЛИСТА
СПРАВОЧНИК
МЕТАЛЛИСТА
В @ ТОМАХ
ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
Редакционный совет:
Б. Л. БОГУСЛАВСКИЙ,
А. Н. МАЛОВ (председатель),
м. п. новиков,
А. Г. РАХШТАДТ,
С. А. ЧЕРНАВСКИЙ
МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1976
СПРАВОЧНИК
МЕТАЛЛИСТА
Chipmaker.ru
том @
Под редакцией д-ра техн, наук А. Г. РАХШТАДТА и канд. техн, наук В. А. БРОСТРЕМА
МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1976
6П3.4
С74
УДК 621.0Q&2 (031)^
Chipmaker.ru
Авторы: А. Ю. Акимова, Б. Н. Арзамасов, И. А. Арутюнова, В. Л. Балкевич, А. М. Борздыка, В. А. Брострем, Е. В. Васильева, Б. К. Вульф, Ю. А. Геллер, А. С. Гуляев, Г. М. Гуняев, М. Е. Дриц, В. Н. Евсеев, В. К. Ефремов, М. И. Жебин, В. В. Зимин, О. С. Квурт, Ю. М. Лахтин, Л. И. Леви, Э. Н. Либерман, А. В. Мельников, А. К. Николаев, А. С. Николаев, К. И. Портной, Я. М. Потак, Д. А. Про-кошкин, В. С. Раковский, А. Г. Рахштадт, Е. А. Скороходов, В. А. Федорович, В. М. Шестопал, Г. Е. Шпичинецкий, Е. С. Шпичинецкий, Р. П. Шубин.
Рецензенты: В. В. Белов, Б. К. Вульф, В. Д. Каль-нер, Б. А. Клыпин, Б. А. Колочев, Ф. Л. Левин, Э. Н. Либерман, С. Б. Масленников, Г. И. Назаров, А. В. Овчинников, В. М. Розенберг, М. Б. Таубкин, Е. С. Шпичинецкий.
Справочник металлиста. В 5-и т. Т. 2. Под ред.
С74 А. Г. Рахштадта и В. А. Брострема. М., «Машиностроение», 1976.
720 с. с ил.
На обороте тит. л. авт.: А. Ю. Акимова, Б. Н. Арзамасов, И. А. Арутюнова и др.
Во втором томе приведены справочные сведения по физико-механическим и технологическим свойствам черных и цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов, а также новые данные по термической и химико-термической обработке, испытаниям металлов. Справочник предназначен для инженеров-технологов и техников машиностроительных заводов.
31201-604
С 038 (01)-76 подписное
6П3.4
© Издательство «Машиностроение», 1976 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1
Механические и технологические свойства машиностроительных материалов и методы их оценки
Методы механических испытаний (В. А. Брострем) И
Характеристика и виды механических испытаний . 11
Испытания на растяжение при комнатной температуре . . 12
Определение характеристик материала, получаемых при испытании . • .... .14
Испытания на растяжение при пониженных температурах (ГОСТ 11150-G5) . ... 15
Испытания (кратковременные) на растяжение при повышенных температурах (ГОСТ 9651 — 73) ... 16
Испытания на ползучесть (ГОСТ 3248—60)...................... 16
Испытания на длительную прочность (ГОСТ 10145 — 62) • 18
Испытания на кручение (ГОСТ 3565—58) . 18
Испытания на изгиб ......................................... 21
Испытания на усталость (ГОСТ 2860—65) . 22
Испытания на ударную вязкость « 27
О конструктивной прочности материалов, и методах ее оценки * 30
Критерии оценки конструктивной прочности . 31
Определение твердости 32
Статические методы 33
Динамические методы .... 37
Технологические свойства машиностроительных материалов . 37
Штампуемость (В. В. Зимин) 37
Механические и технологические испытания 38
’Технологические испытания . . 39
Свариваемость (И. А. Арутюнова) 45
Методы оценки .... . .... 45
Оценка влияния режимов сварки и последующей обработки на структуру и свойства сварных соединений . 45
Определение механических свойств сварных соединений 46
Определение сопротивления сварных соединений образованию горячих трещин ... ... 47
Определение сопротивления сварных соединений образованию холодных трещин ................................. 49
Испытания сварных соединений на сопротивление хрупкому разрушению............................................ .50
Паяемость (И. А. Арутюнова) . 51
6
Оглавление
Коррозия и методы защиты металлов от коррозии (Л. Ю. Акимова) 57
Определение, типы и виды коррозии............................. 57
Методы коррозионных испытаний и способы оценки коррозии 58
Защита металлов от коррозии • 60
Список литературы . 63
Глава 2
Черные металлы и сплавы
Сталь {В. А. Брострем) . 64
Строение и свойства • 64
Диаграмма состояния железо—углерод 64
Фазы и структуры ......................................... 69
Влияние легирующих элементов на строение и свойства стали • • • 69
Конструкционные стали (Э. Н. Либерман)........................... 73
Сталь углеродистая обыкновенного качества общего назначения 73
Сталь углеродистая качественная конструкционная . 86
Низколегированные стали 93
Сталь конструкционная легированная 100
Автоматные стали 101
Сталь листовая углеродистая и низколегированная для котло-строения и сосудов, работающих под давлением . 129
Стали северного исполнения 129
Стали для криогенной техники 132
Сталь для отливок (Л. И. Леви) 135
Применение и состояние производства . 135
Литейные свойства и особенности конструкции 135
Общая классификация 137
Способы выплавки . 139
Влияние состава на свойства 139
Марки и технические требования . 141
Инструментальные стали (Ю. А. Геллер) • 143
Нетеплостойкие стали высокой твердости 148
Марки, свойства и применение 148
Термическая обработка . . . . 152
Нетеплостойкие стали повышенной вязкости 155
Марки, свойства и применение . 155
Полутеплостойкие стали высокой твердости . 158
Марки, свойства и применение . . . 158
Горячая механическая и термическая обработка , 160
Полутеплостойкие стали повышенной вязкости 162
Марки, свойства и применение . . 162
Горячая механическая и термическая обработка 162
Теплостойкие стали высокой твердости (быстрорежущие стали) 164
Марки, свойства и применение 164
Стали умеренной теплостойкости 165
Стали повышенной теплостойкости 167
Стали высокой теплостойкости . . 168
Горячая механическая и термическая обработка . 168
Теплостойкие стали повышенной вязкости (штамповые) . 171
Свойства и применение ... 171
Горячая механическая и термическая обработка . 173
Назначение инструментальных сталей . 174
Оглавление
7
Твердые сплавы (В. С. Раковский) 178
Общая характеристика......................................... 178
Марки, составы и свойства твердых сплавов . . 179
Основные принципы изготовления твердосплавного инструмента 184
Подшипниковые стали (Р. П. Шубин) . . . 185
Пружинные стали и сплавы (А. Г. Рахштадт) 194
Классификация пружинных сталей и сплавов 195
Стали общего назначения .... . 195
Пружинные стали и сплавы специального назначения . 208
Высокопрочные стали (Я- М. Поток) 215
Среднелегированные стали 215
Термическая обработка . . 218
Требования при конструировании и разработке технологии . 220
Сварки и сварные соединения ........... 223
Интенсивно стареющая (мартенситно-стареющая сталь Н18К9М5Т) 225
Коррозионностойкие стали . .......... . 226
Коррозионностойкие стали и сплавы (Д. Ю. Акимова) 229
Общие сведения................ .... . 229
Хромистые стали мартенситного, мартенситно-ферритного и ферритного классов . . 230
Высокопрочные хромоникелевые стали аустенитно-мартенситного класса . . 233
Хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали аустенитно-ферритного и аустенитного классов 238
Стали аустенитно-ферритного класса 238
Хромоникелевые стали аустенитного класса . 238
Хромомарганцевоникелевые и безникелевые стали аустенитного класса . . . 242
Коррозионностойкие (кислотостойкие) сплавы 243
Жаропрочные стали и сплавы (Д. М. Борздыка) . . • 245
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами (В. А. Федорович) 259
Электротехнические стали 259
Магнитно-мягкие сплавы 262
Магнитно-твердые сплавы . . 266
Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения 271
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением . 274
Стали специальных способов выплавки (Д. С. Николаев) 277
Характеристика специальных способов выплавки . 277
Влияние специальных способов выплавки на свойства стали . 279
Основные области применения 287
Сортамент продукции 288
Перспективы развития ................. . 288
Термическая обработка стали (Ю. М. Лахтин) 289
Основные виды термической обработки 289
Нагрев для термической обработки 289
Охлаждение при термической обработке . 306
Отпуск . ............................. 320
Химико-термическая обработка стали (Ю. М. Лахтин) . 323
Цементация . . 323
Технология цементации . 327
Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей . • • • 334
8
Оглавление
Свойства цементованного слоя ••••••••••••• 336
Азотирование ............ • ...••••••••••«•• 338
Технология газового азотирования .............. «•••••• 341
Азотирование в тлеющем разряде (ионное азотирование) • • • 347
Свойства азотированной стали.............................. 348
Азотирование в жидких средах (низкотемпературное цианирование, углеродоазотирование, тенифер-процесс)........... 352
Азотирование с добавками углеродосодержащих газов (низкотемпературная нитроцементация, углеродоазотирование, никотри-рование)............................................. 356
Высокотемпературная нитроцементация (азотонауглероживание, карбонитрирование) ...................................... 356
Высокотемпературное цианирование (азотонауглероживание) • « • 360
Борирование ................................................ 361
Диффузионное насыщение стали металлами . • .................. 363
Алитирование (алюминирование) ............................ 363
Хромирование ............................................ 365
Силицирование ......... •• ...... ...••• 365
Цинкование .................... • .............. 368
Чугун (В. AL Шее то пал, М. И. Жебин) ........................... 368
Классификация .............................................. 368
Механические свойства ...••••..••............................ 373
Жаростойкость и жаропрочность • • . • . ........ 373
Химические свойства . • • • • 380
Физические свойства ........................................ 383
Технологические свойства .•••••••• • • • 390
Список литературы .................................. . . • 392
Глава 3
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Припои и подшипниковые материалы (О. С. Квурт, А. С. Гуляев) • • • 395
Припои....................................................... 395
Подшипниковые материалы • . .... . 407
Медь, никель и их сплавы (Г. Е. Шпичинецкий, Е. С. Шпичинецкий) 415
Медь • .415
Латуни 419
Бронзы • . . . • • • 431
Медноникелевые сплавы . 441
Никель . 447
Никелевые сплавы ............................................ 455
Жаропрочные сплавы меди (А. К. Николаев) • 459
Алюминий и его сплавы (А. В. Мельников) 464
Алюминий . • . . ... 464
Деформируемые алюминиевые сплавы • • • • . . . . 465
Коррозионностойкие свариваемые сплавы на основе систем А1— Мп и Al—Mg............................................ 465
Коррозионностойкие сплавы на основе системы Al—Mg—Si • . • 468
Конструкционные сплавы на основе системы Al —Си—Mg. • . 472
Жаропрочные сплавы на основе системы А1 —Си—Мп ... . 479
Жаропрочные ковочные сплавы на основе системы Al—Си—Mg—Ni—Fe . ... ........................ 479
Ковочные сплавы на основе системы Al—Си—Si— Mg—Мп (АК6, АК8).................................................... 483
Оглавление
9
Конструкционные высокопрочные сплавы на основе системы
Al—Zn-Mg—Си . . 483
Литейные алюминиевые сплавы • • 487
Сплавы на основе системы А1-—Si . 487
Сплавы на основе системы Al—Si—Си 491
Сплавы на основе системы Al—Mg 491
Сплавы на основе системы А1—Си . 491
Сплавы на основе сложных систем . 498
Цинк и его сплавы (О. С. Квурт, А. С. Гуляев) 498
Сплавы на основе цинка ... 501
Цинковые антифрикционные сплавы 503
Магний и его сплавы (М. Е. Дриц) . 506
Сверхлегкие магниевые сплавы................................ 521
Магниевые сплавы со Специальными физическими и химическими свойствами .............................................. -523
Титан и его сплавы (Б. К. Вульф) . 525
Титан . • . • • 525
Титановые сплавы........... .... . 530
Тугоплавкие металлы (Д. А. Прокошкин, Е. В. Васильева) • 547
Ниобий 548
Тантал 551
Молибден 554
Вольфрам . ... ............. 558
Химико-термическая обработка металлов для защиты от окисления (Б. И. Арзамасов) . 561
Список литературы • . 582
Глава 4
Композиционные и неметаллические материалы
Волокнистые композиционные материалы конструкционного назначения
(К. И. Портной, Г. М. Гуняев)................................. 584
Пластические массы (В. К. Ефремов, В. Н. Евсеев) . 599
Основные сведения 599
Методы испытаний 601
Общие свойства . ... 602
Классификация пластмасс по механическим свойствам . • • • • 603
Качественная оценка, методы переработки и области применения
основных конструкционных пластмасс (табл. 6) . . . 604
Физико-механические и теплофизические свойства термопластических пластмасс низкой прочности (табл. 7).............." . 628
Изменение свойств термопластов низкой прочности под действием внешних факторов (табл. 8—17)................................ 636
Физико-механические и теплофизические свойства термореактивных пластмасс низкой прочности (табл. 18) ................... 641
Физико-механические и теплофизические свойства термопластических пластмасс средней прочности (табл. 19) . . . • 646
Изменение свойств реактопластов низкой прочности под действием внешних факторов (табл. 20) . ... ........... 648
Изменение свойств термопластов средней прочности под влиянием внешних факторов (табл. 21—30) • • • • • • • • • • • • 649
10
Оглавление
Физико-механические и теплофизические свойства термореактивных пластмасс средней прочности (табл. 31)................... 658
Изменение свойств термореактивных пластмасс средней прочности под влиянием внешних факторов (рис. 23 и табл. 32, 33) • • • • 660
Физико-механические и теплофизические свойства термопластичных и термореактивных пластмасс высокой прочности (табл. 34— 37)........................... 662
Керамика и ситаллы (В. Л. Балкевич) • 667
Керамика..................................................... 668
Окисная керамика 668
Фарфор................... .... 668
Химически стойкая керамика • • • 671
Каменное литье ••••••• 672
Ситаллы...................................................... 673
Сортамент (Е. А. Скороходов)....... 674
Болванки, заготовки, прутки, профили . 674
Листы, ленты, полосы • • • • 682
Проволока «•••.» 690
Трубы (табл. 66, 67) 699
Список литературы • • • 700
Предметный указатель • 702
Глава I
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ
МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Характеристика и виды механических испытаний
В зависимости от характера напряженного состояния, создаваемого в испытуемом материале, и условий его нагружения различают несколько видов механических испытаний.
Статические испытания — когда нагрузка, прилагаемая к образцу, сравнительно медленно и плавно возрастает. К статическим испытаниям относятся:
а) испытания на растяжение. При этом испытуемый материал находится под действием нормальных S и касательных т напряжений. Зависимость между максимальными касательными напряжениями и максимальными нормальными растягивающими напряжениями следующая: = 0,5;
^шах
б) испытания на сжатие. В этом случае = 2;
*\пах
в) испытания на кручение, когда 0,8;
•^тах
г) испытания на изгиб. При этом материал в соответствующих зонах подвергается действию сжимающих и растягивающих напряжений;
д) испытания на твердость. Когда испытываемые объемы материала находятся в условиях неравномерного всестороннего сжатия. Чем больше растягивающие напряжения по сравнению с касательными в испытаниях и чем меньше, следовательно, отношение 2^- , тем более «жестким» является испытание. Наиболее «жесткий» *^тах
вид испытания — испытание на растяжение; среднее по «жесткости» испытание на кручение и наиболее «мягкое» — метод осевого и особенно объемного сжатия. Испытание на изгиб по степени жесткости занимает промежуточное положение между испытанием на растяжение и испытанием на кручение.
Для выбора способа испытания необхрдимо учитывать свойства испытываемого материала. Один и тот же способ испытания может быть «мягким» для одного материала и «жестким» для другого. Так, испытания на растяжение являются «жестким» способом нагружения для таких хрупких материалов, как чугун и закаленная сталь, и «мягким» способом нагружения для отожженной или высоко отпущенной стали.
12
Свойства машиностроительных материалов
Динамические испытания — когда нагрузка прилагается с ударом и с большой скоростью — ударное растяжение, ударный изгиб (ударная вязкость).
Испытания при повторно-перемен ной нагрузке. При этом нагрузка прилагается статически или динамически многократно, чаще всего в условиях изгиба или кручения (реже сжатия или растяжения).
Статические и динамические испытания в основном проводят при комнатной температуре, но для некоторых материалов применяют испытания при повышенной или пониженной температуре.
Каждое из указанных испытаний не определяет всех механических свойств материала и его поведения в готовых деталях, а лишь обнаруживает те его свойства, которые характерны для него в данном напряженном состоянии. Тем не менее механические испытания образцов стандартных размеров и формы в условиях одинакового напряженного состояния дают основные исходные данные, позволяющие сравнивать и оценивать свойства различных материалов. Далее перечисленные виды испытаний рассмотрены подробнее.
Испытания на растяжение при комнатной температуре (ГОСТ 1497—73)
При растяжении образца на испытательной машине до разрушения фиксируются графически на диаграмме (рис. 1) зависимости между приложенной нагрузкой и удлинением образца — так называемые
Рис. 1. Диаграмма нагрузка (напряжение) — удлинение
кривые деформации.
В практике испытания материалов действительно определяемую (фиксируемую) диаграмму в координатах нагрузка— удлинение заменяют обычно диаграммой напряжение — удлинение. Последняя диаграмма не соответствует истинному ходу испытания. Действительно, в этом случае нагрузку, измеряемую при непрерывно изменяющемся сечении, относят к начальному сечению образца, т. е. сечению, которое в момент измерения уже не существует. Таким образом определяют условные напряжения. Если нагрузку относят к действительному сечению, то получают зна
чения истинных напряжений. При построении диаграммы истинных напряжений в функ-
ции удлинения или сужения поперечного сечения получают непрерывное возрастание напряжений вплоть до разрушения образца. Кривые истинных напряжений дают представление о физических процессах, протекающих в материале, и имеют особое значение для прочностных расчетов и технологии обработки металлов давлением.
При испытаниях на растяжение определяют следующие характе-
ристики:
Методы механических испытаний
13
предел пропорциональности (условный);
предел упругости (условный);
предел текучести (физический и условный);
временное сопротивление;
истинное сопротивление;
относительное удлинение и сужение после разрыва.
При испытаниях на растяжение приняты следующие условные обозначения (ГОСТ 1497—73):
I — рабочая длина образца, мм;
/0 — участок образца, на котором определяют удлинение, мм; /к — длина расчетной части образца после разрыва, мм;
d0 — начальный диаметр в рабочей части цилиндрического образца, мм;
dK — минимальный диаметр цилиндрического образца после разрыва, мм;
с0 — начальная толщина в рабочей части плоского образца или полосы, мм;
bQ — начальная ширина в рабочей части плоского образца или полосы, мм;
Fq — начальная площадь поперечного сечения в рабочей части образца, мм2;
FK — минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва, мм2;
Р — осевая растягивающая нагрузка (кгс), действующая на образец в данный момент испытания;
о — напряжение (кгс/мм2), определяемое отношением нагрузки Р к начальной площади поперечного сечения образца Го;
S — истинное напряжение (кгс/мм2), определяемое отношением нагрузки Р к действительной для данного момента испытания площади поперечного образца;
Д/ — абсолютное удлинение образца, мм;
оПц— предел пропорциональности (условный), кгс/мм2 — напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации Р — Д/ в точке РПц с осью нагрузок, увеличивается на 50% от своего значения на линейном упругом участке;
а0,05 — предел упругости (условный) *, кгс/мм2 — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от длины участка образца, равного базе тензометра;
от — предел текучести (физический), кгс/мм2 — наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки;
ао.2 — предел текучести (условный), кгс/мм2 — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2%;
ов — временное сопротивление, кгс/мм2 — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Ршах, предшествующей разрушению образца;
* Может быть определен и при меньшем допуске на остаточную деформацию.
14
Свойства машиностроительных материалов
SK — истинное сопротивление разрыву (разрушению), кгс/мм2 — напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва FK;
6 — относительное удлинение (%) после разрыва — отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной величине;
ф — относительное сужение после разрыва, % — отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца. Форма и размеры образцов. Для испытаний на растяжение применяют цилиндрические или плоские образцы с начальной расчетной длиной /0 = 5,65JAf0 (короткие) или /0=И,ЗрЛ/70 (длинные) диаметром от 3 и более или толщиной от 0,5 мм и более.
Рекомендуется применять короткие образцы (цилиндрические— в основном диаметром d0 = 10 мм).
Формы, размеры, допускаемые отклонения по размерам образцов должны соответствовать ГОСТ 1497—73.
Определение характеристик материала, получаемых при испытании
Предел пропорциональности опц. Нагружают образцы любым способом, обеспечивающим медленное возрастание нагрузки и возможность приостановки нагрузки с точностью до наименьшего деления шкалы силоизмерителя. До нагрузок, составляющих 70—80% от нагрузки ожидаемого предела пропорциональности, образец нагружают крупными, а далее малыми (До^ 2 кгс/мм2) ступенями. Когда приращение удлинения при малой ступени нагружения превысит среднее значение приращения на линейном упругом участке в 2—3 раза, испытание прекращают. Находят нагрузку РПц> ПРИ которой приращение удлинения превосходит приращение удлинения на упругом участке на заданный допуск (50%). Предел пропорциональности (условный) находят по формуле оПц =
Предел упругости o0t05. К испытуемому образцу прикладывают нагрузку, соответствующую напряжению не более 10% от о0,05- Устанавливают тензометр и нагружают, а затем разгружают образец до начального напряжения и измеряют остаточную деформацию. Определяют нагрузку Р0>05, после которой остаточное удлинение составляет 0,05%.
Предел упругости (условный) о0>05 вычисляют по формуле о0|05 = = ^0.05/^ о-
Допускается определять предел упругости по диаграмме испытании нагрузка—удлинение.
Для этого по оси деформации в соответствующем масштабе откладывают деформацию 0,05% и из полученной точки параллельно упругому участку до пересечения с кривой деформации проводят прямую. Проекция полученной точки пересечения на ось нагрузки дает Ро.об-
Предел текучести (физический) от определяется по диаграмме растяжения, а также по явно выраженной остановке стрелки силоизмерителя.
Вычисляют по формуле от = Pj/Fq,
Методы механических испытаний
15
Предел текучести (условный) o0l2 определяют аналогично пределу упругости, но только при определении о0,2 остаточная деформация составляет 0,2%.
Находят по формуле о0,2 = Ро.2Со-
временное сопротивление ов. Образец подвергают растяжению под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения. Наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца, принимают за нагрузку Ргаах, соответствующую временному сопротивлению.
Временное сопротивление ов вычисляют по формуле
ов = Р шахСо*
Истинное сопротивление разрыву SK. Его определяют по формуле «SK = PK/FK.
Относительное удлинение о определяют путем измерения расстояния между метками (кернами), нанесенными на рабочей части образца. При этом разорванный образец необходимо складывать так, чтобы оси его половинок образовали прямую линию. Вследствие влияния головок образца сравнимые величины удлинения можно получить только при условии, что расстояние от места разрыва до ближайшей крайней метки составляет не менее 1/3 расчетной длины при коротких и не менее 1/5 при длинных образцах.
Находят по формуле
6 - -к-~ г-° • 100%.
*0
Относительное сужение ф. В случае цилиндрических образцов измеряют минимальный диаметр в месте разрыва в двух взаимно перпендикулярных направлениях и по его среднему значению определяют FK. В случае плоских образцов сужение определяют по наименьшей толщине и ширине.
Вычисляют по формуле
гр=-°"-к-100%.
г о
Испытания на растяжение при пониженных температурах (ГОСТ 11150—65)
Определяют при температуре от 0 до —100° С и при температуре кипения технического жидкого азота (—196° С), а в некоторых случаях жидкого водорода (—259° С) и гелия (—269° С) следующие характеристики: предел текучести (физический и условный), временное сопротивление, истинное сопротивление разрыву (разрушению), относительные удлинение и сужение. Испытуемый образец помещают либо непосредственно в охлаждающую жидкость, представляющую собой смесь этилового спирта (ацетона) с твердой углекислотой, или жидкий азот (водород, гелий), либо в специальные камеры — криостаты.
Методика определения указанных выше характеристик аналогична методике испытаний при комнатной температуре.
16
Свойства машиностроительных материалов
Испытания (кратковременные) на растяжение при повышенных температурах (ГОСТ 9651—73)
При кратковременных статических испытаниях при повышенных (до 1200° С) температурах определяют следующие характеристики: предел текучести (физический) о£, кгс/мм2;
предел текучести (условный) Oq 2, кгс/мм2;
временное сопротивление о*» кгс/мм2;
относительное удлинение 6*, %;
относительное сужение ф*, %.
Для испытаний используют цилиндрические и плоские образцы (см. ГОСТ 9651-73).
Продолжительность нагрева до температуры испытания должна быть не более 1 ч, время выдержки 20—30 мин. Отклонения от заданной температуры испытания не должны превышать: при нагреве до 600° С—±3° С, от 600 до 900° С — ^4° С, от 900 до 1200° С — ^6° С. Скорость перемещения подвижного захвата при испытании должна составлять 0,04—0,1 от расчетной длины образца за 1 мин. Определяют перечисленные выше характеристики таким же образом, что и при испытаниях на растяжение при комнатной температуре (см. с. 14—15). О поведении деталей при повышенных температурах нельзя судить только по результатам кратковременных испытаний, так как с течением времени деформация увеличивается под действием постоянной нагрузки (явление ползучести материалов). Тем не менее предел текучести, определяемый при повышенных температурах, может служить основой для сравнительной оценки материалов, а в некоторых случаях (при сравнительно небольшом сроке службы деталей) и расчетной характеристикой.
Испытания на ползучесть (ГОСТ 3248—60)
Свойство материала медленно и непрерывно пластически деформироваться при постоянном напряжении, которое может быть существенно ниже предела текучести, называется ползучестью. В зависимости от величины приложенной нагрузки, температуры испытания и свойств материала процесс деформации при увеличении его продолжительности может протекать с небольшой скоростью или, наоборот, быстро увеличиваться вплоть до разрушения.
Наиболее часто ползучесть определяют в условиях испытаний на растяжение. Рекомендуется применять цилиндрические образцы (рис. 2) диаметром 10 мм и расчетной длиной 100 и 200 мм и плоские шириной 15 мм и длиной 100 мм. Установленный в захватах испытательной машины и помещенный в печь образец нагревают до заданной температуры и выдерживают не менее 1 ч, после чего к нему прикладывают предварительную нагрузку (нагрузка не должна вызывать напряжения более 1 кгс/мм2) и снимают показания прибора для измерения деформации, а затем плавно нагружают образец до заданной нагрузки, одновременно измеряя деформацию. Определяют предел ползучести при допусках на удлинение от 0,1 до 1% при длительности испытаний 100, 300, 500 и 1000 ч, если по условиям исследования не требуется иная длительность или иной допуск на деформацию. В случае определения
Методы механических испытаний
17
предела ползучести по скорости ползучести продолжительность испытания должна быть не менее 2000—3000 ч, причем прямолинейный
участок кривой ползучести должен быть не менее 500 ч.
Процесс испытания изображают в виде первичной кривой ползучести в координатах относительное удлинение — время (рис. 3) и определяют напряжение, соответствующее условному пределу
1=Ю0±0,1
1,25-2,5 V
ползучести материала.
Условный предел ползучести — напряжение, которое за установленное время испытания при данной температуре вызывает заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) или заданную скорость ползучести на линейном участке кривой ползучести.
Суммарное или остаточное удлинение (6с60) — изменение расчетной длины образца по отношению к первоначальной расчет-
6)
в)
10*0,02
200
Рис. 2. Образцы, применяемые при испытаниях на ползучесть:
а и б — цилиндрические; в —плоский
ной длине.
Определяют условный предел ползучести следующим образом: испытывают не менее четырех образцов при данной температуре и разных напряжениях. На основе полученных кривых ползучести (см. рис. 3) строят диаграммы зависимости между напряжением и удлинением или между напряжением и средней равномерной скоростью ползучести на прямолинейном участке в логарифмической системе координат. По этим диаграммам находят искомое напряже-
Рис. 3. Кривая ползучести:
бн — удлинение при нагружении; бп — полное (упругое4- остаточное) удлинение: бс — суммарное удлинение; бу — упругое удлинение; б о — остаточное удлинение
ние.
После того как искомое напряжение будет найдено не менее чем при трех разных температурах испытания, может быть построена диаграмма зависимости между напряжением и температурой.
18
Свойства машиностроительных материалов
Если предел ползучести определяют по величине деформации, то его обозначают буквой о с тремя числовыми индексами, характеризующими температуру испытания, заданное удлинение и заданную продолжительность испытания. Например — предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч при температуре 700° С. При этом необходимо указать, по суммарной или остаточной деформации определялся предел ползучести.
Если предел ползучести определяют по скорости ползучести, то его обозначают буквой о с двумя числовыми индексами, обозначающими температуру испытания и заданную скорость ползучести. Например, аЬ10-» —предел ползучести при скорости ползучести 1-10"^ %/ч и температуре 600° С. При этом необходимо дополнительно указать время испытания, за которое была достигнута заданная скорость ползучести.
Испытания на длительную прочность (ГОСТ 10145—62)
Предел длительной прочности — наибольшее напряжение, вызывающее разрушение материала за определенное время испытания при постоянной температуре.
Применяют следующие основные образцы:
а) цилиндрические диаметром 5, 7 и 10 мм и длиной 25, 70, 50 и 100 мм (применяют и надрезанные образцы); ___
б) плоские с начальной расчетной длиной /0 = 5,65 КFo.
Образец, установленный в захватах испытательной машины, помещают в печь, нагревают до заданной температуры, выдерживают при этой температуре не менее 1 ч, также плавно прикладывают нагрузку.
Время до разрушения при заданной величине напряжения является основным показателем данного вида испытания. Продолжительность испытания устанавливают для каждого материала в зависимости от его назначения. Рекомендуется определять пределы длительной прочности на основе испытаний длительностью 50, 100, 500, 1000, 3000, 5000 или 10 000 ч.
В результате испытаний устанавливают зависимость между напряжением и временем до разрушения, которая может быть выражена графиками, построенными в логарифмической, полулогарифмической или в иной системе координат. По этим графикам путем интерполяции или экстраполяции определяют предел длительной прочности материала. Не рекомендуется проводить экстраполяцию на срок службы, превышающий максимальную продолжительность испытания более чем на один—полтора порядка.
Предел длительной прочности обозначается буквой о с двумя числовыми индексами, показывающими температуру и продолжительность испытания. Например, о[до0 — предел длительной прочности за 1000 ч испытания при 700° С. Определяют относительные удлинение и сужение обычным порядком.
Испытания на кручение (ГОСТ 3565—58)
Испытания на кручение довольно широко применяют для пластичных, но чаще для малопластичных металлов и сплавов, так как они имеют ряд преимуществ по сравнению с испытаниями на растяжение.
Методы механических испытаний
19
Образцы (рис. 4) при кручении не образуют шейки, вследствие чего крутящий момент возрастает вплоть до разрушения. Пластическая деформация протекает почти равномерно по длине образца. Это позволяет более надежно определять деформации и напряжения в очень пластичных, особенно чистых металлах. При испытаниях на растяжение такие металлы образуют значительную шейку. Происходящее при этом неодинаковое изменение сечения растягиваемого образца затрудняет точный расчет деформаций.
Испытания на кручение являются более мягким способом нагружения, так как касательные напряжения близки по величине к нормальным напряжениям (%та*^0,8 ).
х^шах /
Рис. 4. Образец, применяемый при испытаниях на кручение
Поэтому мало пластичные металлы, испытания которых на растяжение связаны со значительными трудностями, приобретают при испытаниях на кручение измеримую деформацию, что позволяет определить их основные механические свойства.
Испытания на кручение позволяют по виду излома образцов определить характер разрушения. Излом, перпендикулярный (или параллельный) к оси образца, указывает на вязкое разрушение (от среза) под действием касательных напряжений. Излом по винтовой линии образца указывает на хрупкое разрушение (от отрыва) вследствие растягивающих напряжений.
При испытаниях на кручение определяют различные характеристики:
Определения модуля упругости G при сдвиге в процессе испытания на кручение. Закрепив в машине образец, нагружают его крутящим моментом, соответствующим начальному касательному напряжению (для стали около 3 кгс/мм2, для других металлов — не более 10% от ожидаемого предела пропорциональности), после чего устанавливают тензометр, отметив при этом нулевое значение угла закручивания.
Нагружают образец крутящим моментом, не выводящим напряжение образца за предел пропорциональности.
Модуль упругости при сдвиге вычисляют по формуле
G_ Ml
(фх — Фа) Л? ’
где М — крутящий момент за вычетом начального, кгс/мм; I — расчетная длина, мм; (pj и ф2 — угловые показатели на концах расчетной длины, рад; Jp — полярный момент инерции, мм4.
Определение предела пропорциональности при кручении (тпц). Начало испытания такое же, как при определении модуля упругости.
20 Свойства машиностроительных материалов
Далее образец догружают вначале большими, а затем малыми ступенями нагрузки, отмечая после каждой ступени нагружения- угловую деформацию. Когда угловая деформация от нагружения при малой ступени превысит в 2—3 раза деформацию, полученную от первого малого нагружения, испытание прекращают.
Результат испытания вычисляют следующим образом: на участке, где еще не наблюдается отклонение от закона Гука, определяют средний угол закручивания на малую ступень нагружения, найденное значение увеличивают на 50%. Крутящий момент Л4ПЦ, соответствующий точке этой полуторной деформации, которую находят на соответствующем участке малой ступени нагружения, и есть искомая величина для расчета предела пропорциональности.
Условный предел пропорциональности вычисляют по формуле
_ МПЦ Ч1Ц >
где Л4ПЦ — крутящий момент, кгс/мм; № — момент сопротивления, мм3
/ * W7 nd3\
(для круглого образца w = -yg- \.
Определение предела текучести (условного) при кручении т0,3. Испытания проводят так же, как при определении предела пропорциональности.
Деформацию до предела пропорциональности считают упругой, за пределом пропорциональности — остаточной.
По полученным при испытании значениям моментом М и по угловым показателям <рх—<р2, соответствующим пределу пропорциональности и последующим ступеням, вычисляют значения наибольшего касательного напряжения т = в кгс/мм2 и относительный сдвиг
Y= .100%.
По значению у + 0,3% (допускаемый для предела текучести сдвиг) находят в ряду вычисленных т и у (допускается интерполяция) искомое значение предела текучести т0,3.
Предел текучести может быть найден графически. Для этого строят диаграмму зависимости т от у. По оси абсцисс откладывают значение принятого для предела текучести остаточного сдвига, равного 0,3%, и от этой точки проводят прямую, параллельную начальному прямолинейному участку, до пересечения с кривой диаграммы. Ордината точки пересечения — искомый предел текучести т0,3.
Определение истинного предела прочности при кручении/к. Для определения tK образец нагружают до появления заметной пластической деформации. После этого образец догружают небольшими одинаковыми ступенями и отмечают для нескольких ступеней крутящий момент М и соответствующие ему угловые показатели и <р2.
Для нескольких разностей —<р2, соответствующих точкам кривой непосредственно перед разрушением, вычисляют удельный угол закручивания 0 в рад.: 0 = У1—} , где / — расчетная длина образца.
На основании полученных данных строят участок кривой зависимости М от 0, и для точки, соответствующей наибольшему моменту,
Методы механических испытаний
21
определяют графически величину , равную тангенсу угла наклона касательной в данной точке к оси абсцисс (0).
Истинный предел прочности определяют по формуле
где Л4К — наибольший крутящий момент, предшествующий разрушению образца.
Определение условного (относительного) предела прочности при кручении (тпч). Образец нагружают до разрушения, отметив величину момента кручения, предшествующего разрушению, и угловые показатели ф2 на концах расчетной длины.
Условный предел прочности при кручении (кгс/мм2)
т тПч — де, •
Определение остаточного (относительного) сдвига при кручении. Остаточный сдвиг при кручении (%) определяют по формуле
ИЛИ
Y = ^.10Oo/o>
где Ф1 и qp2 — угловые показатели перед разрушением образца, а д _ Ф1 Фа
I
Для пластичных металлов допускается принимать общий сдвиг за остаточный. Для малопластичных вычитают величину упругой деформации, вычисляемой по формуле
?у = 1.100%,
где т — предел прочности при кручении; G — модуль сдвига.
Испытания на изгиб
Испытания на изгиб как более мягкий способ нагружения, чем испытания на растяжение, применяют для малопластичных металлов, главным образом чугунов (ГОСТ 2055—43), а также для закаленных и отпущенных сталей в состоянии высокой твердости (например, для инструментальных сталей).
Для испытаний применяют образцы круглого или прямоугольного (лучше квадратного) сечения.
Испытывать на изгиб можно:
сосредоточенной нагрузкой, приложенной в середине пролета (рис. 5), в этом случае наибольший изгибающий момент
ЛА ^изг — "4* >
22
Свойства машиностроительных материалов
двумя разными нагрузками Р/2, приложенными на равных расстояниях от опор (испытания на чистый изгиб); расстояние от опоры а целесообразно принимать равным 1/3 расчетной длины образца (см. рис. 5).
Ра
При чистом изгибе Л1Изг = —.
Предел прочности при изгибе оизг. =^^1,
где U7 — момент сопротивления.
Для образцов из хрупких материалов, разрушению которых предшествует очень небольшая пластическая деформация, значения мо-bh* nd3 .
мента сопротивления близки к -g- и (соответственно прямоугольный и круглый образцы).
Испытания на усталость (ГОСТ 2860—65)
Испытания на усталость применяют (табл. 1), чтобы характеризовать поведение металла в условиях повторно-переменного приложения нагрузки. В таких условиях у металлов более низкая прочность по сравнению с прочностью, определяемой при статических испытаниях. Это происходит вследствие того, что под действием большого числа циклов переменных нагрузок в наиболее нагруженном или ослабленном месте металла зарождается и развивается трещина и образуется участок усталостного излома.
Когда оставшаяся неповрежденной часть сечения уже не сможет выдержать приложенной нагрузки, наступает быстрое (внезапное) разрушение детали, которое проявляется в изломе как зона долома.
Под усталостью понимают процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к уменьшению долговечности, образованию трещин и разрушению.
Свойства материала противостоять усталости называют выносливостью.
Наибольшее напряжение, которое выдерживает металл без разрушения при повторении заранее заданного числа циклов переменных нагрузок, называют пределом выносливости.
Методы механических испытаний
23
1. Термины, определения и обозначения, принятые при испытаниях на усталость
Термин Определение
Цикл напряжений Максимальное напряжение цикла ошах Минимальное напряжение цикла от1ц Среднее напряжение цикла от Амплитуда напряжений цикла аа Симметричный цикл напряжений Асимметричный цикл напряжений Коэффициент асимметрии цикла Совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период процесса их изменения: О = от + aaf «>> * = Tm + xaf <0> где от, — среднее напряжение цикла; оа, та — амплитуда цикла; f (/) •— непрерывная периодическая функция, характеризующая форму цикла и, как правило, близкая к синусоиде Наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла; равно алгебраической сумме среднего напряжения цикла и амплитуды (рио. 6); °шах = °т + °а; хшах = хт та Наименьшее по алгебраической величине напряжение цикла; равно алгебраической разности среднего напряжения цикла и амплитуды (см. рис. 6); ° mln = °т ~~ °а; Tmln = хт ~~ та Статическая (положительная или отрицательная) составляющая цикла напряжений; равно алгебраической полусумме максимального и минимального напряжений: _qmax gmln . _ тшах + Tmln т 2 ,1т 2 Наибольшее (положительное) значение переменной составляющей цикла напряжений; равна алгебраической полуразности максимального и минимального напряжений цикла: _ _ атах "" ат1п . _ _ Ттах — Tmtn 2 ’ Та ’ -2 ’ Цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения равны по величине, но противоположны по знаку (рис. 7) Цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения имеют разные величины (рис. 7) Характеристика степени асимметрии цикла напряжений; равен алгебраическому отношению минимального напряжения цикла к максимальному: о _ qmln . о Tmln о ’ “ т ишах 1шах
24
Свойства машиностроительных материалов
Продолжение табл. 1
Термин Определение
Номинальное напряжение Предел выносливости Предел ограниченной выносливости Усталостная долговечность Напряжение, вычисленное по формулам сопротивления материалов без учета концентрации напряжений, остаточных напряжений и перераспределения напряжений в процессе деформирования (испытания); _ ^ИЗГ Р Мк °л=—-р ’ - соответ- ственно при изгибе, растяжении — сжатии и кручении Характеристика выносливости материала, имеющего горизонтальный участок на кривой усталости. При испытании образцов с постоянным коэффициентом асимметрии цикла (или с постоянным средним напряжением цикла), предел выносливости определяют соответственно как наибольшее значение максимального напряжения цикла (или как наибольшее значение амплитуды напряжений цикла), при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклов. Предел выносливости выражают в номинальных напряжениях и обозначают о^, где R — коэффициент асимметрии цикла. При симметричном цикле предел выносливости обозначают через о_п Характеристика выносливости материала в пределах спадающего участка кривой усталости Характеристика выносливости материала; определяется числом циклов, пройденных образцом перед разрушением при определенном (задаваемом) напряжении
Рис. 6. Параметры циклов напряжений в области растяжения и сжатия
женнй и соответствующие им значения коэффициентов асимметрии
Методы механических испытаний
25
Испытания на усталость выполняют:
при простых видах деформирования стандартных образцов (изгиб, растяжение—сжатие, кручение);
при наличии и отсутствии концентрации напряжений;
при симметричных и асимметричных циклах;
в упругой и малоцикловой упругопластической области;
при нормальной (примерно 20° С), повышенной и пониженной тем
пературах;
при наличии и отсутствии агрессивной среды.
Образцы, условия и порядок проведения испытаний. Для испытания металлов на усталость применяют гладкие образцы круглого
и прямоугольного профиля, а для определения чувствительности материала к концентрации напряжений — образцы с надрезами: в виде кольцевой выточки V-образного профиля или двусторонних V-образ-ных вырезов (соответственно для круглых и прямоугольных образцов) и в виде симметричного поперечного отверстия.
Образцы изготовляют по 2-му классу точности с чистотой поверхности 9—10-го класса.
Испытания образцов проводят при напряжениях (деформациях), близких к синусоидальному закону
их изменения во времени.
Нагружение образцов при испытании производят: а) при постоянных заданных максимальных или амплитудных напряжениях цикла в процессе всего испытания образца; б) при постоянных заданных максимальных или амплитудных деформациях цикла в процессе всего испытания образца.
Для построения кривой усталости и определения предела выносливости испытывают не менее 10 одинаковых образцов. При этом каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до разрушения или до базового числа циклов. На уровне предела выносливости должно быть испытано не менее двух образцов.
База испытаний для определения пределов выносливости в обычных условиях должна быть не ниже:
10* 10е циклов для материалов и сплавов, имеющих горизонтальный участок на кривой усталости, например, для конструкционных сталей.
100-106 циклов для легких сплавов и других материалов, кривые усталости которых не имеют горизонтальных участков. Основной критерий разрушения при определении пределов выносливости и построении кривых усталости — полное разрушение образца.
Кривые усталости строят в координатах: ординаты — максимальные или амплитудные напряжения циклов в равномерном или логарифмическом масштабе, абсциссы — долговечности образцов в логарифмическом масштабе.
Кривые усталости при асимметричных циклах строят для серии одинаковых образцов, испытанных при одинаковых средних напряжениях или одинаковых коэффициентах асимметрии (рис. 8).
26
Свойства машиностроительных материалов
Выносливость материала недостаточно характеризовать только величиной предела выносливости од (т#), так как при прочих равных условиях последний зависит от коэффициента асимметрии цикла.
Эту зависимость устанавливают экспериментально (определяют предел выносливости при различных коэффициентах асимметрии Ra или 7?т) и представляют графически в виде диаграмм предельных напряжений в координатах отах (атт)/—(рис. 9). По оси абсцисс диаграммы откладывают средние напряжения цикла ат, а по оси ор
динат—соответствующие предельные значения максимального и минимального напряжений цикла отах и omin. Если среднее напряжение цикла равно От, то диаграмма дает возможность установить предельные величины напряжений отах и omin и предельные амплитуды цикла Оа, т. е. найти предел выносливости при любом коэффициенте асимметрии RG (или /?т). Отрезок О А, отсекаемые двумя ветвями диаграммы на оси ординат, определяют предел выносливости о_х при симметричном цикле, когда среднее напряжение от = 0. Испытания на усталость, как правило, проводят при средних напряжениях, которые ниже предела текучести стали. Поэтому при средних напряжениях, превышающих
предел текучести os, диаграмму предельных напряжений не строят. Теоретически обе ветви должны сходиться в точке Е с ординатой ов,
равной пределу прочности материала, т. е.
Специальные испытания. Испытания при повышенной и пониженной температурах выполняют при тех же видах деформации и на тех же образцах, что и при нормальной температуре.
Испытания в условиях агрессивной среды проводят при тех же видах деформации и на тех же образцах, что и при отсутствии агрессивной
среды.
Испытания в малоцикловой области выполняют при переменном изгибе, растяжении — сжатии и кручении. В пределах данной серии образцов нагружение осуществляется: по заданным деформациям или перемещениям, по заданным напряжениям или нагрузкам. Частота схемы напряжений (усилий) — не более 50 цикл/мин.
Кривую малоцикловой усталости строят по осредненным результатам испытания образцов на 3—4 уровнях напряжений (усилий) или деформаций (перемещений), вызывающих полное разрушение или появление микротрещин при испытании до 2-105 циклов.
Методы механических испытаний
27
Рис. 10. Кривая усталости для упругопластической малоцикловой области
Верхний уровень напряжений или деформаций выбирают на уровне 0,7 от соответствующего разрушающего фактора, приложенного однократно, или на уровне 0,7 от предела прочности при растяжении. Кривые малоцикловой усталости строят в координатах:
ординаты — максимальные или амплитудные разрушающие деформации или перемещения, абсциссы — число циклов до разрушения в равномерном, полулогарифмическом или двойном логарифмическом масштабах;
ординаты — коэффициенты нагрузки *, абсциссы — число циклов до разрушения в равномерном, полулогарифмическом или двойном логарифмическом масштабе (рис. 10).
Испытания на ударную вязкость
При испытании на ударную вязкость (при динамическом изгибе) образец с надрезом, опирающийся концами на два упора, подвергают действию удара, который разрушает его.
Наличие надреза и повышенная скорость деформирования могут
перевести металл в хрупкое состояние и выявить его склонность к хрупкому разрушению, т. е. те свойства металла, которые не обнаруживаются при статических испытаниях гладких образцов.
Хрупкое разрушение, наблюдаемое в деталях и конструкциях, зависит от характера напряженного состояния, химического состава металлического сплава и его структуры.
Склонностью нехрупкому разрушению обладают, как правило, металлы с решеткой объемноцентрированного куба, а следовательно, и стали (кроме сталей с аустенитной структурой).
„Методы определения ударной вязкости при нормальной, пониженной и повышенной температурах регламентируются ГОСТ 9454—60, 9455—60 и 9456—60.
Для всех трех видов испытаний применяют надрезанные посередине образцы типа I, II, III, IV, V (рис. 11) согласно ГОСТ 9454—60.
В основном используют призматический образец типа I с размерами 10 X 10 X 55 м с надрезом посередине глубиной 2 мм и радиусом 1 мм. Кроме того, применяют образцы с полукруглым надрезом глубиной 3 и 5 мм с радиусом 1 мм и образец с V-образным надрезом под углом 45°, глубиной 2 мм и радиусом при вершине 0,25 мм.
Испытания образцов выполняют на маятниковых копрах с предельной энергией не более 30 кгс-м. Допускается применять копры с меньшей энергией удара.
Работу в кгс-м, затраченную на разрушение образца, определяют по формуле
Лн = Pl (cos р — cos а),
* Коэффициент нагрузки — частное от деления циклического номинального напряжения или усилия на соответствующее разрушающее номинальное напряжение или нагрузку, приложенные однократно.
28
Свойства машиностроительных материалов
где Р — масса маятника, кгс; I — длина маятника, м; р и а — соответственно углы подъема маятника до и после излома образца, град.
Ударная вязкость (ан) в (кгс*м)/см2 определяется по формуле
где Лн — работа удара, затраченная на излом образца, кгс-м; F — площадь поперечною сечения, см2.
Рис. 11. Образцы, применяемые при испытаниях на ударную вязкость
(по ГОСТ 9454—60): а — тип I; б — тип П; в — тип III; а — тип IV; д — тип V
Методы механических испытаний
29
В отдельных случаях, например для определения ударной вязкости хрупких материалов (в частности, сталей с твердостью свыше HRC 55), применяют призматические образцы размером 10 X 10 X 55 мм без надреза.
В этом случае работа, затраченная на разрушение, обозначается Л, а ударная вязкость а.
Склонность материалов к хрупкому разрушению лучше выявляется на образцах с более острым надрезом (гн = 0,25 мм, тип IV), которые в большинстве стран являются основными.
В настоящее время в некоторых случаях для более точной оценки вязкости высокопрочных материалов, определения интервала необра-
Рнс. 12. Образец, применяемый для определения аТ (при толщине материала свыше 10 мм)
тимой хрупкости, хрупкости от неоднородности структуры после закалки или сварки применяют испытания на ударный изгиб образцов размером 11 X 10 X 55 мм (рис. 12) с усталостной трещиной по методу Б. А. Дроздовского и Я. Б. Фридмана. Трещину создают на специальном вибраторе.
Определяемый параметр
Здесь Лт. у — работа разрушения образца с трещиной, измеренная по шкале копра; F = ht, где t — толщина образца, а А — разница между высотой образца, глубиной надреза и усталостной трещиной — основная характеристика способности материала тормозить разрушение при ударном изгибе.
Работу, затраченную на разрушение образца Лн, делят на работу зарождения Л3 и на работу распространения Лр трещины. Аналогично Он = а3 + ар.
При хрупком разрушении работа распространения трещины Лр приблизительно равна нулю, а при полухрупком она снижается пропорционально проценту вязкой составляющей в изломе, вследствие чего целесообразно определять ар только при полностью вязком изломе.
Существуют несколько методов определения а3 и ар.
Наиболее распространен описанный выше метод Б. А. Дроздовского и Я. Б. Фридмана и метод А. П. Гуляева.
Определяемый по методу Б. А. Дроздовского и Я. Б. Фридмана параметр аг.у:= аР характеризует работу, затрачиваемую на распространение трещины.
Метод А. П. Гуляева основан на том, что испытывают образцы с различными радиусами надреза (от 0,1 до 1 мм), строят зависимость
30
Свойства машиностроительных материалов
«величина ударной вязкости — радиус надреза» и экстраполируют полученный график до нулевого значения радиуса. Величина ударной вязкости при г = 0 соответствует величине ар, а разность между ударной вязкостью для г = 1 мм и г = 0 — величине я3.
Важная характеристика, которая может быть получена при испытаниях на ударную вязкость, — температура перехода в хрупкое состояние. Для металлов с объемноцентрированной решеткой, а также низкоуглеродистых сталей характерно резкое снижение ударной вязкости ниже некоторой области температур, характеризующих порог хладноломкости.
Для высокопрочных сталей кривые ударной вязкости по мере понижения температуры плавно снижаются, из-за чего невозможно определить по ним порог хладноломкости. Обычно порог хладноломкости более четко определяют по кривым, «процент вязкой составляющей — температура испытания» при визуальном исследовании излома.
Однако и этот метод неприменим для определения хладноломкости стали в высокопрочном состоянии, так как в этом случае локализованные зоны вязкой и хрупкой составляющих находятся в пределах одного или нескольких зерен.
В настоящее время верхнюю и нижнюю температуры порога хладноломкости определяют электронно-фрактографическим методом. На электронных фрактограммах вязкое разрушение имеет «чашечный», а хрупкое речной (или ручьевой) узоры. Разрушая образцы при различных температурах и изучая строение их изломов, находят интервал температур, в котором строение излома меняется от вязкого к хрупкому. Верхняя и нижняя границы интервалов температур будут соответствовать верхней и нижней температурам порога хладноломкости.
О конструктивной прочности материалов и методах ее оценки
При выборе параметров оценки прочностных свойств материала следует различать следующие группы критериев:
а) критерии оценки прочностных свойств материала, определяемых независимо от его назначения, т. е. от конструктивных особенностей и характера службы изделия, в котором данный материал применяют. Эти критерии (сг0|2, ав, Ф» ан» и Др.) характеризуют свойства материала вообще;
б) критерии оценки конструктивной прочности материала, т. е. комплекса тех (и только тех) прочностных свойств, которые находятся в наибольшей связи со служебными свойствами данного изделия. При этом под служебными свойствами подразумеваются те свойства, которые характеризуют работоспособность материала в условиях службы изделия, т. е. его стойкость и надежность — гарантированность отсутствия его отказов в эксплуатации.
Оценивать конструктивную прочность металла можно по отношению к данному изделию или группе однотипных изделий, или к группе материалов, предназначенных для изготовления сходных по назначению изделий;
в) критерии оценки прочности конструкции в целом, определяемой при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. В ряде случаев при таких испытаниях удается дополнительно выяснить влия
Методы механических испытаний
31
ние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений, технология и дефекты сварки и т. д. В настоящее время нет общих правил для выбора критериев, которые способны охарактеризовать конструктивную прочность материала, предназначенного для того или другого изделия. Большую помощь при выборе оказывают изучение видов и природы износа и эксплуатационных разрушений, учет относительного количества различных отказов изделий в эксплуатации и воспроизведение в лабораторных условиях характерных типов разрушений. Кроме того, рекомендуется соблюдать:
аналогию видов напряженного состояния в испытуемых образцах и изделиях, для которых предназначен материал;
аналогию других условий испытания (температура, внешняя среда и т. д.);
сходство характера износа и разрушения, вида излома в образцах и изделиях.
Для весьма ограниченного количества изделий, работающих в условиях статической нагрузки, критериями оценки конструктивной прочности могут быть параметры, определяемые при одноосном статическом нагружении. Для большинства изделий и конструкций необходимо использовать другие критерии оценки конструктивной прочности, которые можно разделить на две группы:
1) свойства, определяющие долговечность изделий (усталостная прочность, контактная выносливость, износоустойчивость, коррозионная стойкость и др.);
2) свойства, позволяющие оценить запас надежности материала в изделии или конструкции (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещины, живучесть при циклическом нагружении и т. д.).
Критерии оценки конструктивной прочности
Из числа критериев, наиболее часто используемых для оценки долговечности, в первую очередь следует отметить испытания на усталость (ГОСТ 2860—65).
Для лучшей оценки надежности материалов машин и металлоконструкций целесообразно более широко использовать следующие критерии оценки металла: параметры Ирвина, работу развития трещины, живучесть и др.
Параметры Ирвина К и G характеризуют поле напряжений в зоне трещины и ее поведение при приложении внешней нагрузки. Они служат критериями оценки вязкости разрушения. Параметр /С — коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающего напряжения у ведущего конца трещины, параметр G характеризует энергию, затрачиваемую при увеличении трещины на единицу длины. Для плосконапряженного и плоскодеформи-рованного состояния указанные параметры обозначают соответственно Кс и Gc и К1С и ^ic*
Эти параметры становятся константами материала, позволяющими использовать их для расчетов, если могут быть применены формулы, выведенные для различных схем нагружения и различных форм образцов. Эти формулы действительны только для условий, когда полностью или почти полностью предотвращается пластическая деформация перед
32
Свойства машиностроительных материалов
вершиной трещины. Это имеет место, когда: 1) процесс разрушения идет в упругой области (хрупкие высокопрочные материалы) и ограничивается условием оп <С O,8o0t2; 2) геометрические размеры образца обеспечивают соотношение Н > 2d, где Н — толщина образца и d — диаметр (ширина) пластически деформируемой зоны у острия надреза или трещины.
Эти условия соблюдаются только тогда, когда у надреза образца радиус близок к нулю (трещина). Такие образцы могут быть подвергнуты статическому или ударному нагружению (при условии, если будет определена разрушающая нагрузка). Определять параметры /С1с и 610
Рис. 13. Образец, применяемый для определения параметра Л*1С при изгибе
для более пластичных материалов, натурных проб, образцов, подвергаемых обычным испытаниям на усталость, и т. д. можно, применяя специальные методы фиксации величины напряжения и длины трещины в момент перехода ее к нестабильному развитию в условиях плоско-деформированного состояния. Образец, используемый для определения параметра К1С при изгибе, показан на рис. 13.
Работа, затрачиваемая на развитие трещины см. стр. 29.
Важнейший параметр конструктивной прочности деталей машин и конструкций, работающих в условиях циклических нагрузок, — живучесть. Живучесть — это способность металла работать в поврежденном состоянии после возникновения усталостной трещины. Измеряется количеством циклов от начала образования трещины до разрушения или скоростью развития трещины при данном напряжении.
Для определения живучести строят две кривые усталости, из которых первая кривая отражает начало образования трещин, а вторая фиксирует разрушение образца.
Расстояние между этими кривыми при каждом напряжении, т. е. число циклов работы образца с трещиной, и есть живучесть.
Живучесть пока не удается предсказать на основе знания других механических свойств.
Высокие механические свойства, включая достаточную пластичность и ударную вязкость, часто сочетаются с очень низкой живучестью.
Определение твердости
Под твердостью понимают сопротивление, которое одно тело оказывает проникновению в него другого, более твердого тела.
В технике предпочтительны методы испытаний, при которых остаются измеримые отпечатки. При этом в процессе испытания вокруг отпечатка
Методы механических испытаний
33
возникает наклеп испытуемого образца. Степень этого наклепа зависит от формы вдавливаемого тела и глубины вдавливания, так что числа твердости, полученные при испытании различными вдавливаемыми телами (индентерами), нельзя безоговорочно сравнивать между собой даже при одинаковой расчетной формуле.
Статические методы
При статическом испытании твердости индентер вдавливается в образец под действием силы, непрерывно возрастающей до заданного предела.
Измерение твердости вдавливанием стального шарика по Бринеллю (ГОСТ 9012—59) *. При этом методе испытания стальной шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец (изделие) под действием нагрузки Р, приложенной в течение определенного времени, и после удаления нагрузки измеряют диаметр отпечатка, оставшегося на поверхности образца.
Число твердости по Бринеллю (НВ) определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка по формуле
2Р
НВ =---------- ,
nD(D— ^D2—d2)
где Р — нагрузка, кгс; D — диаметр шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм.
В соответствии с условиями испытания и по диаметру полученного отпечатка числа твердости определяют с помощью таблиц в ГОСТ 9012—59 ♦.
При измерении твердости по Бринеллю диаметр шарика D, величину нагрузки Р, продолжительность выдержки под нагрузкой и минимальную толщину испытуемого образца выбирают по табл. 2. Твердость испытуемых черных и цветных металлов не должна превышать 450 ед.
Перед числом твердости по Бринеллю при измерении твердости шариком диаметром D = 10 мм под нагрузкой Р = 3000 кгс с выдержкой t = 10 с пишут символ ЯВ, например НВ 400.
При других условиях измерения обозначение НВ дополняется индексом, указывающим условия измерения в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки, например НВ 5/250/30.
Для более точного определения твердости (особенно это относится к крупнозернистым материалам или материалам с различными структурными составляющими) следует применять шарик с наибольшим диаметром, равным 10 мм.
Для стали существует соотношение между твердостью по Бринеллю и пределом прочности ав = k НВ. Этот коэффициент k существенно зависит от отношения предела текучести к пределу прочности и от прочности материала. При отношении а0,2/ов более 65% он составляет 0,32—0,36. Обычно при неизвестном отношении сг0|2/сгв пользуются средним переводным коэффициентом 0,35.
Измерение твердости алмазной 'пирамидой по Виккерсу Наконечник в форме правильной четырехгранной пирамиды вдавливается в испытуемый образец (изделие) под действием нагрузки Р.
2
34
Свойства машиностроительных материалов
2. Рекомендуемые параметры при изменении твердости по Бринеллю
Материал Интервал твердости в числах Бринелля Минимальная толщина испытуемого образца, мм Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика D Диаметр шарика £), мм Нагрузка Р, кгс Выдержка под нагрузкой, G
Черные металлы 140— 450 От 6 до 3 От 4 до 2 Менее 2 P=3QD* 10 5 2,5 3000 750 187,5 10
То же <140 Более 6 От 6 до 3 Менее 3 P=10D2 10 5 2,5 1000 250 62,5 10
Цветные металлы >130 От 6 до 3 От 4 до 2 Менее 2 Р=30£>* 10 5 2,5 3000 750 187,5 30
То же 35—130 От 9 до 3 От 6 до 3 Менее 3 Р=10£>2 10 5 2,5 1000 250 62,5 30
8—35 Более 6 От 6 до 3 Менее 3 P=2,5Df 10 5 2,5 250 62,6 15,6 60
приложенной в течение определенного времени, и после удаления нагрузки измеряют диагонали d отпечатка, оставшегося на поверхности образца.
Число твердости (HV) определяют путем деления нагрузки Р на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка (мм2) по формуле
2Р sln | р
HV-------^= 1,8544^,
где р — нагрузка, кгс; а = 136° — угол между противоположными гранями пирамиды при вершине; d — среднее арифметическое обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.
Перед числом твердости, измеренным алмазной пирамидой, пишут символ HV, например HV 300.
При измерении твердости алмазной пирамидой применяют одну из следующих нагрузок: 5, 10, 20, 30, 50, 100 кгс. При наличии соответствующих приборов допустимы меньшие нагрузки (1 и 3 кгс). Минимальная толщина испытуемого образца или слоя должна быть больше диагонали отпечатка для стальных изделий в 1,2 раза, а для цветных металлов в 1,5 раза. Продолжительность выдержки под нагрузкой для черных металлов 10—15 с, для цветных — 30 с.
Методы механических испытаний
35
Расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка.
Измерение твердости по Виккерсу применимо для тонких образцов толщиной 0,3—0,5 мм или поверхностных слоев толщиной до 0,03— 0,05 мм.
Получаемые отпечатки пирамиды относительно малы. Их измеряют с помощью оптического устройства, позволяющего выполнять измерение без перемещения образца.
Поверхность испытуемого образца должна иметь класс чистоты поверхности не ниже 10. В настоящее время метод Виккерса следует признать наиболее совершенным методом испытания твердости. Он дает для всех материалов (от самых мягких до самых твердых) сквозную однозначную шкалу твердости.
Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеет одинаковую размерность и для материалов с твердостью до НВ 450 практически совпадают.
3. Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013—59). При измерении твердости металлов по Роквеллу наконечник стандартного типа (алмазный конус или стальной шарик) вдавливается в испытуемый образец (изделие) под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной Ро и общей Р, которая равна сумме предварительной Ро и основной Рх нагрузок: Р = Ро + Pv
Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм.
Числа твердости по Роквеллу HR выражаются формулами: при измерении по шкалам А и С
HR=> 100 — е;
нри измерении по шкале В
HR = 130 — е.
Величину е определяют по формуле
£_ h~ho 0,002 ’
где hQ — глубина внедрения наконечника в испытуемый образец под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Pi с оставлением предварительной нагрузки Ро.
Величина нагрузки, пределы измерения в единицах твердости по Роквеллу, а также соответствующие приближенные значения чисел твердости по Виккерсу для шкал Л, В и С приведены в табл. 3. Шкалу С (индентер—алмазный конус) используют при испытании твердых материалов (термически обработанная сталь, в том числе закаленная). При испытании мягких материалов используют шкалу В (индентер— стальной шарик). Шкалу А (индентер—алмазный конус) используют при измерении твердости очень твердых материалов (твердых сплавов). К числам твердости, полученным при измерении по этим шкалам, спереди добавляют обозначения шкалы, например, HRC 50, HRB 85, HRA 75. Метод Роквелла получил очень широкое применение, так как он позволяет определять твердость быстро и просто, а получаемые отпечатки относительно малы.
*
36
Свойства машиностроительных материалов
3. Шкалы твердости, тип индентера, пределы измерений и соотношение между числами твердости по Роквеллу и Виккерсу
Обозначения Тип индентера Нагрузка, кгс Пределы измерения в единицах твердости по Рок-велу HR Соответствующие приближенные значения чисел твердости по Виккерсу HV
шкалы чисел твердости
А HRA Алмазный конус ; ъ IIII g+ss HRA 70—85 390—900
G HRC Алмазный конус 'i 4 и и О HRC 20—67 240—900
В HRB Стальной шарик, 0 1,588 мм til’?.’0 11? II11 о HRB 25—100 60—240
Этот метод в первую очередь очень широко применяют для поштучного контроля готовых деталей в массовом производстве.
Испытания на микротвердость вдавливанием алмазной пирамиды (ГОСТ 9450—60). Метод применяют для определения твердости тонких поверхностных слоев, а также отдельных структурных составляющих и фаз сплавов.
При испытании на микротвердость алмазный наконечник в форме правильной четырехгранной пирамиды вдавливается в испытуемый участок образца под действием нагрузки Р, приложенной в течение определенного времени, и после удаления нагрузки измеряют диагонали d квадратного отпечатка, оставшегося на поверхности образца.
Перед числом твердости, вычисленным по той же формуле, что и при измерении твердости по Виккерсу, пишут символ Н с указанием в индексе величины нагрузки в грамм-силах, например 7/б0 — 220 кгс/мм2. При испытании на микротвердость применяют одну из следующих нагрузок: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 кгс.
Для измерения микротвердости промышленность выпускает специальный прибор ПМТ-3. Измерение микротвердости выполняют следующим образом. Поверхность образца шлифуют и полируют, а при необходимости выявления структуры подвергают травлению реактивами, применяемыми для микроанализа соответствующих сплавов.
На исследуемом участке образца наносят отпечаток алмазной пирамиды, который измеряют с помощью окулярного микрометра при общих увеличениях в 478 или 135 раз.
Технологические свойства машиностроительных материалов 37
Динамические методы
При динамическом определении твердости на образец с определенной кинетической энергией воздействует испытательный шарик или острие.
Используемая при испытании энергия складывается из: а) работы деформации, расходуемой на образование отпечатка; б) энергии отдачи, расходуемой на обратный подъем падающего груза; в) потерь на образование тепла, трение, вибрации.
Соответственно этому различают два различных способа динамического определения твердости: один основан на подсчете твердости по отпечатку (методы, использующие падение груза или удар, — молоток Польди* или Бринелля), другой — на измерении высоты отдачи (прибор Шора).
Прибор Шора предназначен в основном для определения твердости массивных деталей и применяется, например, для контроля твердости прокатных валков, а также мелких деталей как из металлов, так и неметаллов.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Штампуемость
Под штампуемостью понимают способность материала изменять свою форму при штамповке без образования трещин, разрывов, расслоений, полос сдвига и т. п. На штампуемость оказывают влияние много факторов: химический состав материала, величина зерна, твердость, механические характеристики, условия деформации и др. Вследствие этого в настоящее время нет твердого однозначного показателя штампуемости, по которому можно было бы судить о пригодности поставляемого материала к тем или иным формоизменяющим штамповочным операциям. Обычно за основу берут данные, характеризующие химический состав и механические свойства металла, а в ряде случаев и результаты технологических испытаний.
Химический состав металлов и сплавов регламентируется ГОСТами и ТУ. Для сталей наиболее важный химический элемент, оказывающий решающее влияние на их свойства, — углерод. Чем выше содержание углерода, тем ниже пластические свойства стали и штампуемость. Например, наилучшую способность к вытяжке имеет малоуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,06—0,08%. Марганец как примесь в количестве 0,2—0,4% способствует повышению штампуемости стали. Кремний, повышая прочность и уменьшая относительное удлинение, снижает штампуемость; его содержание должно быть не более 0,01— 0,03%. Сера и фосфор резко ухудшают пластические свойства стали, и содержание их в стали для особо сложной вытяжки (ОСВ), сложной вытяжки (СВ) и весьма глубокой вытяжки (ВГ) по ГОСТ 9045—70 * не должно превышать: S — 0,03%, Р — 0,02%; кроме того, ограничено содержание Сг и Ni (до 0,03%—0,10%) и Си (до 0,06—0,15%).
Микроструктура стали также должна удовлетворять определенным требованиям, касающимся величины, равномерности, равноосности зерна и вида химического соединения углерода с железом. Оптимальная величина зерна 7—8 баллов по ГОСТ 5639—65. Зерно большей величины увеличивает шероховатость, что снижает качество последую
38
Свойства машиностроительных материалов
щей отделки детали, а меньшей величины делает листовую сталь более упругой и жесткой. Неравномерность зерна приводит к неравномерности деформации, что может вызвать образование трещин. Волокнистая структура металла нежелательна, так как такой металл имеет ярко выраженную анизотропию механических свойств и неодинаковую способность к деформации вдоль и поперек направления проката.
На штампуемость благоприятно влияет феррит с небольшим количеством пластинчатого перлита, который способствует уменьшению пружинения и получению более точных размеров штамповок. Структурно свободный цементит ухудшает вытяжку стали, его величина регламентируется ГОСТ 9045—70 * (табл. 4).
4. Величина зерна феррита и цементита стали для холодной штамповки по ГОСТ 9045 — 70 *
Категория вытяжки Номер зерна феррита Структурносвободный цемент, балл (не более)
Весьма глубокая (ВГ) 3
Сложная (СВ) ... 6, 7, 8, 9 3
Особо сложная (СВ) 2
Иногда металл (некоторые стали, медь, дюралюминий) после обработки давлением может самопроизвольно изменять свои свойства. Такое явление называется старением. В деформированном металле, склонном к старению, могут при хранении возникать трещины. Поэтому во избежание ухудшения штампуемости при многооперационной обработке давлением следует стремиться к максимально быстрой передаче заготовки с позиции на позицию с тем, чтобы процесс старения не успевал произойти.
Для получения штампованных деталей требуемого качества определенное значение имеют разнотолщинность и состояние поверхности металла. Допускаемые отклонения по толщине листа составляют —5% от толщины листа. Разнотолщинность может вызвать трещины, разрывы, волнистость при вытяжке деталей сложной формы. По отделке поверхности сталь тонколистовую холоднокатаную малоуглеродистую качественную для холодной штамповки (ОСВ, СВ и ВГ 9045—70) подразделяют на 3 группы. На поверхности листа не допускаются плены, раковины, трещины, окалина, загрязнения и т. п. Металл для глубокой вытяжки не должен иметь после деформации полос или линий сдвига. Для предупреждения образования линий сдвига сталь подвергают дрессировке (холодному обжатию до 2%) на специальных многовалковых станах.
По химическому составу, микроструктуре и т. д. нельзя судить о штампуемости. Поэтому необходимо проводить механические и технологические испытания металла.
Механические и технологические испытания
Важные показатели штампуемости металла — характеристики механических свойств: прочностные и пластические, определяемые при испытаниях плоских тонколистовых (ГОСТ 11701—66) образцов на растяжение.
Технологические свойства машиностроительных материалов 39
В ГОСТ 11701—66 предусмотрено определение важного показателя штампуемости — равномерного относительного удлинения 6р, по которому можно сделать вывод о величине допустимых деформаций при штамповке. Превышение последних приводит к возникновению трещин и разрывов при формоизменении заготовки.
Результаты испытаний на растяжение дают возможность установить анизотропию механических свойств исследуемого материала в плоскости листа и по его толщине. Большие значения отношения равномерных деформаций по ширине к равномерным деформациям по толщине образцов, вырезанных из листа вдоль и поперек направления прокатки, говорят о большей склонности металла к деформации в плоскости листа, а меньшие — к деформации по толщине, что ведет к утонению и разрыву металла.
Чем выше характеристики бр и от, тем лучше штампуемость материала. Кроме того, большое влияние на штампуемость металла оказы-от вает величина отношения предела текучести к пределу прочности —.
он Меньшие значения этого отношения свидетельствуют о лучшей штампуемости стали (табл. 5).
5. Характеристики пластичности стали, применяемой для различных категорий вытяжки
Категория вытяжки °т/ав (не менее) б (не менее) (не менее) «р
Особо сложная (ОСВ) • • 0,6 0,44 0,65 Не менее 0,25
Сложная (СВ) • • 0,65 - 0,42 0,55 Не менее 0,20
Весьма глубокая (ВГ) 0,6 0,34 —
Глубокая (Г) 0,66 0,30 — —
Нормальная (Н) . . 0,75 0,20 — 0,10-0,15
Определенную информацию о штампуемости металла дает испытание на твердость и микротвердость. Повышение твердости металла говорит о снижении его пластических свойств. Сталь для холодной вытяжки категорий ОСВ, СВ и ВГ должна иметь твердость по Роквеллу HRB не более 46—48. Однако по результатам испытаний металла на твердость нельзя сделать заключения о пригодности его к глубокой вытяжке.
Технологические испытания
Механические испытания на растяжение не воспроизводят тех условий, в которых находится металл при штамповке. Поэтому для определения штампуемости металла при тех или иных формоизменяющих операциях проводят технологические испытания, при которых металл испытывает деформации, аналогичные деформациям реального процесса или близкие к ним.
Технологические методы испытания листового металла с целью определения их пригодности для операций гибки приведены в табл. 6.
О пригодности металла к операциям гибки судят путем внешнего осмотра образцов и определения соответствия их требованиям стандар-
40
Свойства машиностроительных материалов
6. Методы технологических испытаний по определению пригодности листового металла к операциям гибки
Метод испытания
Испытание на изгиб по ГОСТ 14019—68
Сущность испытания и область применения
Испытание служит для определения способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию, характеризуемую углом изгиба, или для оценки предельной пластичности, которая характеризуется углом изгиба до образования первой трещины. Испытание производится:
а) до заданного угла изгиба; б) до появления первой трещины; в) до параллельности сторон; г) до соприкосновения сторон
Испытание состоит в определении числа перегибов путем повторяющихся изгибов образца толщиной не более 4 мм, шириной 20,5 мм и длиной 100—150 мм, зажатого в губках приспособления, вправо или влево вначале на 90®, а затем на 180° в противоположную сторону со скоростью не более 60 изгибов в 1 мин
Испытание на двойной кровельный замок по
ГОСТ 13814 — 68
Испытание распространяется на листы толщиной менее 0,8 мм и устанавливает метод определения способности металла принимать заданную по размерам и форме деформацию. Соединяют два листа на испытательных машинах в соответствии с эскизом
Испытание на изгиб по Гюту, по Вольтеру, на пружинение при гибке по Элеру
Испытание проводят на специальных приборах для определения минимального радиуса гибки или угла пружинения^
Технологические свойства маишностроительных материалов
41
тов или технических условий на металлопродукцию. Если нет стандартов, то признаком того, что образец выдержал испытание, является отсутствие отслаивания, трещин, надрывов и излома в материале образца или в его покровном слое.
Методы испытаний металла для определения пригодности его к глубокой вытяжке приведены в табл. 7. Металл при проведении испытаний, по которым судят о его штампуемости, находится в условиях, близких к двухосному напряженному состоянию, так как напряжение в перпендикулярном к поверхности заготовки направлении много меньше, чем в плоскости листа, и им можно пренебречь. Многообразие реальных процессов штамповки не позволяет применять тот или иной метод как универсальный. При вытяжке деталей сложной формы вытяжные свойства металла лучше определять, применяя испытание на вытяжку сферической лунки по ГОСТ 10510—74 (по Эриксену), а при глубокой вытяжке деталей цилиндрической и коробчатой формы — испытания на вытяжку цилиндрического колпачка. В этом случае схема напряженного состояния металла при испытаниях будет ближе всего к моделируемому процессу штамповки.
Из перечисленных методов самые простые по подготовке образца и проведению испытания метод Эриксона (ГОСТ 10510—74) и гидравлический метод.
Мерой способности металла к вытяжке является глубина вытянутой лунки до момента уменьшения усилия вытяжки. Глубина лунки для стали тонколистовой холоднокатаной малоуглеродистой качественной для холодной штамповки по ГОСТ 9045—70 * приведена в табл. 8, а для других металлов — в табл. 9.
Характер трещины при вытяжке сферической лунки позволяет судить об однородности металла: разрыв по окружности свидетельствует об однородности металла, а по прямой — об анизотропности.
По шероховатости поверхности лунки судят о величине зерна: чистая поверхность у мелкозернистого металла, а более шероховатая — у крупнозернистого.
Используя результаты механических и технологических испытаний листового металла, следует применять его для технологических операций штамповки, приведенных в табл. 10.
Для выявления способности черного или цветного металла к деформации в горячем состоянии пользуются характеристиками механических свойств, определяемыми при испытаниях на растяжение при повышенных температурах (до 1200° С) по ГОСТ 9651—73, результатами испытаний по определению ударной вязкости ап при нормальных (ГОСТ 9454—60) и повышенных (ГОСТ 9456—60) температурах. Кроме того, учитывают влияние на изменение химического состава и фазовых превращений металла или сплава исходного структурного состояния, температуры, схемы напряженного состояния, степени и скорости Деформации на изменение механических свойств металла в процессе горячей деформации.
При необходимости проводят технологические испытания на осадку (ГОСТ 8817—73), на расплющивание (ГОСТ 8818—73), на выдавливание.
Метод испытания на осадку прутков и проволоки черных металлов и алюминиевых сплавов предназначен для определения способности их к деформации и выявления дефектов поверхности изделий в холодном (2—30 мм) или горячем (5—150 мм) состояниях. Образцы диаме-
42
Свойства машиностроительных материалов
7. Методы технологических испытаний листов и лент по определению их пригодности к глубокой вытяжке
Метод испытанияt эскиз Сущность испытания и область применения
Напряженное состояние — дв (детали сложной и несимм< Испытания на вытяжку сферической лунки по ГОСТ 10510—74 (по Эриксену) ухосное растяжение етричной формы) Образец прямоугольной, квадратной или круглой формы определенных размеров зажимают между матрицей и при-
rz. жимным кольцом, и в центре его пуансоном с шаровым наконечником вытягивается сферическая лунка. Применяют для черных и цветных металлов толщиной от 0,1 до 2 мм
Гидравлический метод испытаний Образец, зажатый по периферии, вытягивается под действием давления жидкости в круглую матрицу до момента разрыва или потери устойчивости процесса деформации. Условия испытаний исключают влияние формы инструмента и трения на результаты
Испытание по Олзену (США), Эйверн (Англия), Гиллери (Франция) Испытания аналогичны испытанию по Эриксену, но на приборах несколько иной конструкции и инструментом других размеров
На (/ Испытание н ского колпачка Я пряже (етали а вы и от( иное ( ЦИЛИ1 тяжку юртов] состояние — ра< 4 др и ческой и к цилиндриче- ку отверстия if стяжение и сжатие оробчатой формы) Метод проведения испытания тот же, что и при испытаниях на вытяжку сферической лунки по ГОСТ 10510—74, но применяют другие инструменты. Определяют максимальный коэффициент вытяжки и максимальное усилие при этом
Технологические свойства машиностроительных материалов
43
Продолжение табл. 7
Метод испытания, эскиз Сущность испытания и область применения
Метод АЕГ, метод института пластической деформации металлов (ГДР), метод Зибеля Аналогичен предыдущему, но методы проведения испытания различаются тем, что применяют различные машины, инструмент, операции
Испытание матрицу по < на вытяжку в 1>укуи коническую Полусферическим пуансоном круглый образец вытягивается в коническую (угол равен 60°) матрицу. Чем выше штампуемость металла, тем меньше отношение диаметра фланца при разрыве заготовки к исходному диаметру
8. Глубина выдавливания сферической лунки для стали различной толщины и категорий вытяжки
Толщина листа, мм Глубина сферической лунки, мм (не менее), для стали категории Вытяжки Толщина листа, мм Глубина сферической лунки, мм (не менее), для стали категории вытяжки
ВГ СВ ОСВ ВГ СВ ОСВ
0,5 9,0 - 1,3 11,2 11,4 11,7
0,6 9,4 1,4 11,3 11,5 11,8
0,7 9,7 10,0 10,2 1,5 11,5 11,6 12,0
0,8 10,0 10,4 10,6 1.6 11,6 11,6 12,1
0,9 10,3 10,6 10,9 1.7 11,8 11,6 12,1
1,0 10,5 10,8 11,1 1.8 11,9 11,6 12,1
1,1 10,8 11,0 11,3 1.9 12,0 11,6 12,1
1,2 11,0 11,2 11,5 2,0 12,1 11,6 12,1
тром, равным диаметру изделия, и длиной, равной двум диаметрам для черных металлов и полутора диаметрам для алюминиевых сплавов, осаживают под прессом или молотом. Величину деформации при осадке принимают равной 50, 65 и 75% для черных металлов и 50% для алюминиевых сплавов.
Считают, что образец выдержал испытания, если после испытания на его поверхности нет трещин, надрывов, расслоений.
Металл, поставленный в виде полос, листов, заклепок, подвергают испытанию на расплющивание. Расплющивание полос и заклепочных головок производят до размеров, установленных стандартами на испытуемые изделия. Изделия считаются годными, если на поверхности образцов, подвергнутых испытанию, не наблюдается трещин и надрывов.
44
Свойства машиностроительных материалов
9. Глубина выдавливания сферической лунки, мм, для различных металлов
Материал Толщина металла, мм
0,2 0,4 0,6 0,8 1.0 1.2 1.4 1.6 1,8 2,0
Латунь для глубокой вытяжки 12,8 13,5 13,8 14,2 14,3 14,4 14,5 14,6 14,7 14,7
Латунь обычного качества 11,3 12,2 12,7 13,0 13,3 13,5 13,7 13,8 14,1 14,3
Медь листовая 9,6 10,5 11,1 11,4 11,8 12,1 12,3 12,6 12,8 13,0
Алюминий листовой . * • 7,6 8,7 9,2 9,5 9,9 10,2 10,7 11,1 11,2 12,7
Сталь декапированная . . 6,6 7,8 8,6 9,2 9,7 10,2 10,6 11,1 10,8 11,4 11,8
Жесть белая 6,2 7,5 8,3 8,9 9,5 9,9 10,3 11,2 11,6
Цинк . « • • 5,2 6,5 7,3 7,8 8,1 8,3 8,4 8,5 8,6 8,6
10. Характеристики механических свойств стали, применяемой для различных операций штамповки
Применение Предел прочности ав, кгс/мм* (не более) Относительное удлинение б10, % (не менее) Твердость HRB (не более) Глубина выдавливания, мм (не менее)
Вырубка плоских деталей 65 1—5 84—86 6—7
Вырубка, простая гибка под углом 90° поперек волокон с большим радиусом закругления г > S 50 4—14 75—85 7—8
Неглубокая вытяжка, формовка. Гибка на 180е поперек волокон или на 90е вдоль волокон о радиусом закругления г > 0.5S 42 13 — 27 64-74 8—9
Глубокая вытяжка (допустимы линии сдвига). Гибка на 180® во всех направлениях с радиусом закругления г < 0.5S 37 24—36 52 — 64 9—10
Глубокая вытяжка (о незначительными линиями сдвига). Гибка на 180® во всех направлениях с радиусом закругления г < 0,55 33 33—45 38—52 10—12
Технологические свойства машиностроительных материалов
45
Свариваемость
Свариваемость — это способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения с требуемыми технологическими характеристиками. Свариваемость оценивают путем сравнения характеристик свойств сварных соединений с характеристиками свойств основного металла или их нормативными значениями. Свариваемость данного металла тем выше, чем больше способов сварки может быть применено, проще технология получения сварного соединения и шире пределы допускаемых режимов сварки.
Для оценки технологической свариваемости:
а) определяют структуру и механические свойства металла шва и околошовной зоны;
б) оценивают склонность металла шва и околошовной зоны к образованию горячих кристаллизационных и холодных (возникающих после полного остывания металла) трещин.
Методы оценки
Оценка влияния режимов сварки и последующей обработки на структуру и свойства сварных соединений
Применяются специальные методы для изучения фазовых превращений металлов в условиях, достаточно близко имитирующих сварочный процесс. К этим методам относятся метод ИМЕТ-1, вакуумные высокотемпературные металлографические и дилатометрические методы исследования и измерения твердости с воспроизведением термических циклов сварки.
При методе ИМЕТ-1 тонкие или стержневые образцы нагревают в специальной машине током и охлаждают в соответствии с заданными термическими циклами. В процессе нагрева или охлаждения образцы подвергают либо деформации, либо разрыву при заданной мгновенной температуре или в заданном интервале температур (в зависимости от скорости деформации). Их также можно резко охлаждать в воде, чтобы было зафиксировано структурное состояние. Этим методом можно определить и конечные изменения структуры и механических свойств после полного охлаждения образцов до комнатной температуры. Кроме того, это позволяет исследовать кинетику изменения механических свойств и структуры металла в различных участках зоны термического влияния в процессе сварки и термической обработки.
Для исследования влияния технологии и режимов сварки на свойства и структуру зоны термического влияния применяют валиковую пробу по ГОСТ 13585—68. Валиковая проба заключается в наплавке валика на собранную в зажимном приспособлении составную пластину из брусков длиной 6 = 12-г-18 мм и шириной 200—450 мм, вырезанных из листов исследуемого металла толщиной 6Х. Составную пластину собирают так, чтобы валик наплавлялся на поверхности реза брусков (рис. 14). Число брусков для составной пластины определяют из расчета требуемого числа образцов на каждый режим наплавки, предусмотренной программой испытания. Наплавленную составную пластину освобождают из приспособления и свободно охлаждают на воздухе. Затем отделяют друг от друга бруски и из них изготовляют образцы
46
Свойства машиностроительных материалов
для испытаний на ударный и статический изгиб по ГОСТ 6996—66. Число составных пластин принимают равным числу режимов наплавки. Валиковая проба позволяет определить в зависимости от режимов наплавки ударную вязкость, критическую температуру хрупкости,
Рис.* 14. Валиковая проба:
/ — валик; 2 — бруски; 3 — планка выводная; б — ширина бруска; 6t — толщина образца
величину зерна и наибольшую твердость металла околошовного участка. Эти характеристики необходимы при разработке рациональных технологических режимов сварки.
Определение механических свойств сварных соединений
Механические испытания сварных соединений проводят при статических и вибрационных нагрузках. В их число входят стандартные испытания, испытания на растяжение, изгиб, твердость. Кроме этих испытаний в зависимости от типа нагрузки применяют испытания на усталость и длительную прочность.
При испытании соединений, выполненных контактной сваркой или электрозаклепками, определяют величину разрушающей нагрузки.
По ГОСТ 6996—66 выбирают тип образца для испытания сварного соединения соответствующего типа.
Испытания на изгиб служат для оценки пластичности основного металла и сварных соединений. Испытания проводят при различных температурах. Образцы для испытаний выбирают согласно ГОСТ 6996—66.
Испытания на усталость служат для определения сопротивления металла знакопеременным нагрузкам. Образцы для испытаний изготовляют из сваренных встык заготовок с расположением исследуемой зоны металла сварного соединения в рабочей части образца.
Испытания на длительную прочность основного металла, шва и околошовной зоны проводят по ГОСТ 10145—62. Образцы для испытаний сварных соединений изготовляют из сваренных встык заготовок, причем исследуемая зона сварного соединения расположена в рабочей Части образца.
Технологические свойства машиностроительных материалов
47
Твердость определяют для оценки степени неоднородности состава и свойств различных участков металла сварного соединения по его поперечному или продольному сечению. Твердость сварного соединения определяют в соответствии с ГОСТ 6996—66 на шлифах поперечного сечения по линиям, параллельным границе проплавления основного металла, а также пересекающим ось симметрии шва.
Определение сопротивления сварных соединений образованию горячих трещин
Горячие или кристаллизационные трещины образуются в металле шва и околошовной зоне в процессе его кристаллизации, когда возникающие внутренние напряжения достаточны, чтобы вызвать разрушение по границам зерен. В зависимости от условий образования горячие трещины разделяются на кристаллизационные и подсолидусные. Трещины первого типа образуются, когда металл находится в твердожидком состоянии; трещины второго типа возникают при температуре ниже температуры солидуса. В производстве сварных конструкций для определения сопротивления металла или сплава образованию трещин применяют количественную или качественную оценку. Количественную оценку проводят методом принудительного деформирования образцов, подвергнутых сварочному нагреву (деформирование под действием внешних сил).
Если в условиях кристаллизации металл шва подвергнуть внешней деформации растяжением, то для каждого сплава можно найти такую критическую скорость деформации, при которой в сварном шве появятся горячие трещины, т. е. запас пластичности в температурном интервале хрупкости будет исчерпан. Эта критическая скорость и является количественным критерием сопротивления образованию горячих трещин.
В промышленности наибольшее применение получил метод МВТУ, который позволяет оценить стойкость материала против образования горячих трещин при выполнении стыковых, тавровых и угловых соединений и при наплавке. Деформирование сварочной ванны производят под действием внешних сил поперек или вдоль направления сварки.
Деформирование образцов осуществляют изгибом или растяжением. Критерием является наименьшая скорость деформации, при которой в металле шва или околошовной зоне зарождается горячая трещина.
Испытания проводят на специальных автоматизированных установках, имеющих сменные устройства для сборки, сварки и деформирования образцов различной формы. На рис. 15 показан образец, сваренный вдоль стыка кромок, усилие приложено поперек оси шва. Образец этого типа служит для определения продольных трещин в металле шва и околошовной зоне.
На рис. 16 показан образец, позволяющий определить сопротивляемость металла образованию поперечных трещин в металле шва и околошовной зоне.
Для оценки стойкости против образования горячих трещин металла шва, металла околошовной зоны и основного металла в околошовной зоне применяют метод ИМЕТ-ЦНИИЧМ, который заключается в испытании составных клавишных или одиночных образцов. В процессе сварки образцы подвергают деформации изгибом поперек или вдоль направления шва, наличие трещины определяют визуально. Крите*
Рис. 15. Образец для определения склонности к образованию продольных горячих трещин в металле шва и околошовной зоне:
/ — пластины 3X40X50; ^2 — технологические планки
00
Рис. 16. Образец для определения склонности к образованию поперечных горячих трещин в металле шва и околошовной зоне
Свойства машиностроительных материалов
Технологические свойства машиностроительных материалов
49
рием оценки считает минимальную скорость деформации кристаллизующегося металла, при которой образуются трещины.
Качественную оценку сопротивляемости образованию горячих трещин проводят по результатам сварки жестких образцов (технологических проб). Материалы, получившие при сварке проб горячие трещины, считаются склонными к образованию горячих трещин. Различные технологические пробы могут соответствовать условиям конкретной технологии.
Определение сопротивления сварных соединений образованию холодных трещин
Холодные трещины возникают в зоне термического влияния и сварном шве после полного затвердевания сварного шва или последующего вылеживания сварной конструкции. Холодные трещины развиваются как по границам зерен, так и в теле зерна. Они образуются в сталях перлитного и мартенситного класса, если в процессе сварки происходит частичная или полная закалка металла в зоне термического влияния. На склонность к образованию холодных трещин оказывают влияние водород, попадающий из флюсов или атмосферы в металл шва, структурное состояние металла, жесткость сварной конструкции, а также инородные включения и поры в металле.
Количественная оценка сопротивления сварных соединений образованию холодных трещин основана на теории замедленного разрушения и предусматривает механические испытания сварных образцов. Испытания эти подобны испытаниям на длительную прочность. Наибольшее применение получил метод МВТУ на машине ЛТП. Метод основан на механическом испытании сварных образцов рекомендуемых размеров путем нагружения постоянными нагрузками. Нагрузки моделируют упругую энергию собственных напряжений в сварных конструкциях. За показатель сопротивляемости металла образованию холодных трещин при сварке следует принимать минимальное растягивающее напряжение от внешней нагрузки, при котором в сварном соединении образца образуются трещины после выдержки образца под нагрузкой в течение 20 ч.
В зависимости от толщины основного металла, зоны сварного соединения, подвергаемой испытанию, и направления получаемых трещин пр отношению к оси шва применяются следующие типы образцов (рис. 17, а, б, в).
На рис. 17, а показан плоский, круглый или восьмигранный образец со стыковым швом. Образец жестко закреплен по контуру, нагружается путем изгиба равномерно распределенной нагрузкой. Испытание оценивает склонность к образованию продольных и поперечных трещин.
На рис. 17, б показан тавровый образец с угловым швом для толщин 6—20 мм. Образец нагружают путем консольного изгиба. Оценивается сопротивляемость зоны сплавления, околошовной зоны и сварного шва образованию продольных трещин.
На рис. 17, в показан пластинчатый образец с продольным стыковым швом для толщин 6—20 мм. Образец нагружают путем поперечного изгиба. Испытание позволяет оценить сопротивляемость шва и околошовной зоны образованию поперечных трещин.
50
Свойства машиностроительных материалов
Рис. 17. Образцы для определения склонности к образованию холодных трещин, продольных и поперечных трещин ✓
Испытания сварных соединений на сопротивление хрупкому разрушению
Сварные узлы, выполненные без трещин, могут подвергаться хрупкому разрушению при работе конструкции в условиях сложного напряженного состояния и низких температур. Причинами разрушений могут быть конструктивные недостатки — наличие макроскопических концентраторов напряжений и дефекты сварных соединений — раковины, поры, шлаковые включения, подрезы по краю швов, существенное изменение структуры металла в результате сварочного тепла и возникновения остаточных напряжений. Склонность материалов к хрупкому разрушению оценивают путем испытаний различных видов.
Испытание на статический изгиб надрезанных образцов. Применяют стандартные образцы Менаже, образцы, уменьшенного сечения
Рис. 18. Диаграмма испытания «изгибающее усилие — стрела прогиба»:
— стрела прогиба при разрушении; ^пл — пластический прогиб до максимума
точки
Технологические свойства машиностроительных материалов 51
или образцы с усталостной трещиной. В процессе испытаний записывают диаграмму «изгибающее усилие — стрела прогиба». Мера сопротивления металла развитию трещин — работа излома Ар, определяемая путем планиметрирования падающей части диаграммы изгиба (заштрихованная площадь на рис. 18).
Испытание на ударный изгиб. Используют стандартные образцы типа образцов Менаже или образцов с V-образным надрезом. Испытания основного металла проводят согласно ГОСТ 9454—60 (см. раздел «Методы механических испытаний»), а металла сварных соединений по ГОСТ 6996—66. Надрез расположен в соответствии с целью испытания либо в литой зоне (параллельно оси шва), либо в зоне термического влияния на заданном расстоянии от края шва.
Результаты испытания сравнивают с результатами испытаний аналогичных образцов из основного металла или с нормативными значениями ударной вязкости для данного металла.
Испытания на вязкость разрушения. Для оценки стойкости сталей против хрупкого разрушения определяют вязкость разрушения или коэффициент интенсивности напряжения в условиях плоской деформации и мгновенного роста трещины К1С (см. раздел «Методы механических испытаний»).
ПАЯЕМОСТЬ
Паяемость — это способность материалов образовывать паяные соединения с требуемой прочностью, герметичностью, электропроводностью и т. д.
Качество паяных соединений зависит от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения, способа скрепления элементов перед пайкой.
Выбор основного металла и припоя. В качестве основного металла применяют стали всех типов, никелевые сплавы (жаропрочные, жаростойкие, кислотостойкие), медь и ее сплавы, а также легкие сплавы на основе титана, алюминия, магния и бериллия.
Реже применяют сплавы на основе тугоплавких металлов: хрома, ниобия, молибдена, тантала и вольфрама.
Припои (см. стр. 395—407) выбирают в зависимости от свойств основного материала. К ним предъявляются следующие требования:
1) температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления паяемых материалов;
2) расплавленный припой (в присутствии защитной среды, флюса или в вакууме) должен хорошо смачивать паяемый материал и легко растекаться по его поверхности;
3) прочность, пластичность и герметичность припоя должны быть достаточно высокими;
4) с паяемыми материалами припой не должен образовывать соединения, склонные к коррозии;
5) коэффициенты термического расширения припоя и паяемого материала не должны резко отличаться.
В табл. И указаны наиболее распространенные металлы, применяемые при изготовлении паяных соединений, и значения их температуры плавления.
Выбор флюса. В большинстве случаев окисную пленку с поверхности паяемого металла удаляют с помощью паяльного флюса
52
Свойства машиностроительных материалов
11. Наиболее распространенные металлы, применяемые при пайке
Материал Марка Температура плавления (солидус), °C Температура плавления (ликвидус), °C
Углеродистая деформи-
руемая сталь 08кп 1485 1525
Хромомарганцево кремни-
стая сталь ЗОХГСА 1485 1515
Хромоникелевая сталь 40ХНМА 1485 1490
Коррозионностойкая хро-
моникелевая сталь . • . 12Х18Н9Т 1400 1500
Жаропрочный никельхро-
мовый сплав . ... ХН77ТЮ 1400 1430
(ЭИ437А)
Жаростойкий никельхро-
мовый сплав ХН78Т 1380 1440
Медь . . . . МО, Ml 1083 1083
Томпак . . Л96 1060 1070
Латунь . . Л62 900 920
Бронза Бр.ОФ6,5—0,25 890 1040
Титановый сплав . . . ВТ2 1680 1710
Алюминиевомарганцевый
сплав ........ АМц 600 655
Алюминиевомагниевый
сплав ...... АМгб 565 655
Дюралюминий Д16 550 650-
Силумин АЛ5 577 627
Магниевый деформируе-
мый сплав МА5 482 602
Магниевый литейный сплав Мл 5 445 602
Цинковый сплав . . ЦМ1 419 422
Бериллий . . Чистый 1315 1315
Хром 1900 1900
Ниобиевый сплав . ВН2 2430 2460
Молибденовый сплав . ВМ1 2600 2620
Тантал Чистый 2996 2996
Вольфрам — 3410 3410
(ГОСТ 19250—73). К паяльным флюсам предъявляются определенные требования:
1) при температуре пайки они должны иметь достаточную жидкотекучесть и легко удаляться после пайки;
2) не должны вызывать коррозии паяного соединения;
3) в расплавленном и газообразном состоянии должны способствовать смачиванию поверхности основного металла расплавленным при=“ поем.
По составу флюсы делятся на следующие группы:
1) на основе соединений бора;
2) на основе фтористых соединений металлов;
3) на основе хлористых соединений металлов;
4) окисные;
5) на основе канифоли и других органических соединений.
Флюсы первой и второй групп применяют при пайке конструкционных, коррозионностойких и жаропрочных сталей, никелевых и медных
Технологические свойства машиностроительных материалов
53
сплавов. Флюсы третьей группы применяют для пайки алюминиевых и магниевых сплавов, а также для низкотемпературной пайки черных и цветных металлов. Флюсы четвертой группы применяют для высокотемпературной пайки сталей. Флюсы пятой группы применяют при низкотемпературной пайке в тех случаях, когда нельзя тщательно промыть изделие после пайки (в монтажных условиях). Их применяют для пайки меди, медных сплавов, никеля и оцинкованного железа.
Выбор способа нагрева и величины зазоров при пайке определяется техническими требованиями к изделию, конструкцией паяемой детали, материалом, из которого она изготовлена, применяемым припоем, количеством изготовляемых деталей.
Прочность паяного соединения, плотность и герметичность в значительной степени зависят от величины зазора.
Зазор под пайку зависит от физико-химических свойств основного металла и припоя, а также характера взаимодействия между ними. Величину зазора определяют экспериментальным путем. Оптимальные величины зазоров, применяемых при пайке некоторых металлов и сплавов, приведены в табл. 12. При конструировании паяного изделия необходимо предусмотреть, чтобы в зоне паяного соединения не было замкнутых полостей, в которых воздух или другие газы при пайке могут увеличиваться в объеме и служить причиной образования неспаев, пор и раковин в шве. Для выхода газов рекомендуется в деталях сверлить специальные отверстия.
12. Оптимальные зазоры при пайке
Основной металл Припой Зазор, мм
Углеродистые стали Медь Латунь • Серебро 0,02 — 0,15 0,05—0,30 0,05—0,15
Коррозионностойкие стали Медь .... Латунь .... Серебро .... Никелехромовый . pop о О ООО сл сл сл ьэ 1111 poop ЬО »-• СаЭ осп осл
Медь и медные сплавы Медноцинковый ... Меднофосфористый • • Серебро ...•••• . 0,10—0,30 0,02—0,15 0,03—0,15
Титан Серебро Серебряномарганцевый • 0,05—0,10 0,05 — 0,10
Алюминий На алюминиевой основе . 0,10—0,30
Выбор типа соединений. Основными типами паяных соединений согласно ГОСТ 19249—73 являются стыковое, внахлестку, косое, тавровое, угловое, соприкасающееся. Соединение встык применяют, когда не требуется герметичности и изделие работает не в жестких условиях.
54
Свойства машиностроительных материалов
В остальных случаях применяют соединение внахлестку, косое и со-поикасающееся. Угловое и тавровое соединения применяют реже. В табл. 13 представлены основные типы паяных соединений.
13. Типы паяных соединений
Тип соединения Формы поперечного сечения Условное обозначение
Соприкасающееся ПС-3
Встык ПВ-1
Внахлестку ПН-1
В скос ПВ-3
В тавр В угол ПТ-1 ПЧ-1
Метод оценки растекаемости припоя на паяемом материале. Расте-каемость припоя оценивают по площади растекания и коэффициенту пористости Кп:
где Sn — площадь пор — суммарная площадь, занятая газовыми порами и участками несмачивания под растекающейся каплей припоя; Sp — площадь растекания — площадь под растекшейся, дозированной по объему каплей припоя.
Площадь растекания измеряют планиметром или другим способом. Площадь пор измеряют планиметром или другим способом на рентгеновском снимке после просвечивания образцов.
Для испытаний применяют плоскую пластину паяемого материала размером 40 X 40 мм. Толщина пластины — от 1 до 3 мм. Подготовка поверхности, контактирующей при испытании с жидким припоем, должна быть аналогичной подготовке под пайку изделия. При испытании используют кусок припоя 64 мм3 и 300—400 мм3 флюса. Пластины нагревают до температуры пайки. За площадь растекания и коэффи
Технологические свойства машиностроительных материалов
55
циент пористости принимают среднее арифметическое измерений площади растекания и коэффициент пористости трех—пяти испытываемых образцов.
Методы оценки затекания припоя в зазор. Затекание припоя в горизонтальный зазор оценивают по коэффициенту затекания, коэффициенту пористости, высоте и радиусу галтели.
Коэффициент затекания К3 вычисляют по формуле
где S3— площадь под затекшим в капиллярный зазор припоем; So — площадь верхней пластины-образца.
Рис. 20. Пластинчатый образец для определения затекания в вертикальный зазор
Рис. 19. Образец для определения затекания в горизонтальный зазор
Условный радиус галтели R — радиус круга, касающегося поверхности галтели шва в точке пересечения высоты галтели с его поверхностью, Высота галтели h — отрезок биссектрисы угла, образованного паяемыми поверхностями, ограничен поверхностью галтели.
Для испытаний применяют плоские пластины паяемого материала 40 X 40 мм и 20 X 15 мм, толщина пластин от 1 до 3 мм (рис. 19).
На пластину 1 сверху укладывают пластину 2 с требуемым зазором. Величина зазора фиксируется двумя прокладками 3 соответствующей толщины. Собранный образец закрепляют в струбцине. Припой укладывают вплотную к зазору. Подготовка паяемых поверхностей образца перед испытанием должна быть аналогичной подготовке под пайку изделия.
Площадь затекания измеряют планиметром или другим способом на рентгеновском снимке, полученном после просвечивания. За значение коэффициента затекания, коэффициента пористости, радиуса и высоты галтели принимается среднее арифметическое измерений соответствующих характеристик 3—5 образцов.
Оценку затекания припоя в вертикальный зазор, переменный по величине, проводят по высоте подъема припоя. Для испытаний применяют образцы (рис. 20 и 21).
56
Свойства машиностроительных материалов
Образец на рис. 20 состоит из двух пластин паяемого материала размером 40—60 мм, толщина от 1 до 3 мм. Образец на рис. 21 состоит из двух трубок паяемого материала: трубки А (внутренний диаметр 14 мм, толщина стенки 4 мм, длина 80 мм), трубки Б (внутренний диаметр 9 мм, толщина стенки 4 мм, длина 80 мм). При испытании применяют припой,
<ИЧмм
Рис. 21. Трубный образец для определения затекания в вертикальный зазор
должны быть спаяны
дозированный по объему в количестве 150% от объема капиллярного зазора.
Пластины образца (см. рис. 20) располагают под углом таким образом, чтобы зазор изменялся от 0 до 1 мм. Для этого с одного края по стороне, равной 60 мм, их прижимают плотно, а с другой — укладывают калиброванную проволоку диаметром 1 мм. Образец закрепляют с помощью струбцины.
Трубка Б образца (см. рис. 21) вставляется в трубку А и прижимается двумя винтами В, которые обеспечивают переменный зазор между ними от 0 до 1 мм.
Подготовленные образцы и ванну с припоем прогревают до заданной температуры, образцы погружают в ванну с припоем на глубину 3 — 6 мм и выдерживают при температуре пайки в течение 2 мин, а затем охлаждают. Высота подъема припоя в зависимости от зазора измеряется от уровня погружения на рентгеновском снимке после просвечивания образцов. За значение высоты подъема припоя принимается среднее арифметическое измерений высоты подъема на трех-пяти образцах.
Определение механических свойств паяных соединений. Механические испытания
проводят для определения поведения паяных соединений под нагрузкой. Применяют испытание на растяжение и срез.
Для испытания на растяжение изготовляют круглые образцы (рис. 22). Образцы соосно. Перед пайкой торцовые поверхно
сти образцов обезжиривают, травят и покрывают флюсом. После высыхания образцы устанавливают в зажимные цанги, на паяемую торцовую плоскость нижнего образца укладывают припой, который прижимают верхней половиной образца, укрепленной в подвижной цанге. После этого места пайки равномерно нагревают до рабочей тем-
пературы. При плавлении верхняя половина образца опускается под действием собственной массы и автоматически устанавливается заданный зазор.
Для испытания на срез изготовляют плоский образец, показанный на рис. 23. Образец закрепляют в приспособлении так, чтобы паяемые плоскости были параллельны, пайку проводят в горизонтальном положении образца. Припой и флюс в необходимых количествах помещают вблизи места соединения, а пламя горелки подводят к месту, указанному стрелкой. После пайки образец подвергают механической обработке до получения указанных размеров.
Коррозия и методы защиты металлов от коррозии
57
Рис. 22. Образец для испытания на растяжение
Металлографические исследования паяных соединений применяют для определения природы связей в паяном шве. Качество паяного шва во многом зависит от прочности связи припоя с металлом основы. Смачивание твердой металлической поверхности припоем свидетельствует о том, что между атомами припоя и атомами металлической основы возникает межатомная связь. Эта связь может образоваться в результате:
I ис. 23. Образец для испытания на срез
1) растворения основного металла в расплавленном припое с образованием жидкого раствора, распадающегося при последующей кристаллизации;
2) диффузии составляющих припой элементов в твердый основной металл с образованием твердого раствора;
3) реактивной диффузии между припоем и основным металлом с образованием на границе интерметаллических соединений;
4) бездиффузионной связи.
Характер связи определяется при изучении микроструктуры образцов, вырезанных из паяного соединения. При разработке технологии пайки следует подбирать такие условия процесса, которые обеспечивают хорошее смачивание основного металла припоем и по возможности предотвращают образование диффузионного слоя интерметаллических соединений.
КОРРОЗИЯ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ
Определение, типы и виды коррозии
Коррозией металлов называется разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой.
58
Свойства машиностроительных материалов
Существует коррозия двух типов:
1) электрохимическая коррозия — взаимодействие металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала;
2) химическая коррозия — взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительной компоненты среды протекают в одном акте.
По характеру разрушений металлов и сплавов различают несколько основных видов коррозии (ГОСТ 5272—68*): равномерная коррозия, неравномерная коррозия, местная коррозия, межкристаллитная коррозия, коррозия под напряжением, коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, контактная коррозия, щелевая коррозия, биокоррозия.
Методы коррозионных испытаний и способы оценки коррозии
Коррозионные испытания разделяют на:
1) лабораторные — коррозионные испытания металла, проводимые в искусственных условиях;
2) испытания в природных условиях — коррозионные испытания металла, проводимые в атмосфере, в море, в почве и т. п.
3) эксплуатационные — коррозионные испытания машин, аппаратов, сооружений и т. п. в эксплуатационных условиях;
4) ускоренные — коррозионные испытания, проводимые в условиях, близких к эксплуатационным, но в более короткий срок.
Самая простая и надежная оценка коррозии — оценка по потерям массы металла, разрушенного коррозией. Этот способ обычно применяют при сплошной коррозии, протекающей с более или менее одинаковой скоростью по всей поверхности металла.
Потеря массы определяется по изменению массы образца, отнесенному к единице поверхности в единицу времени, и обычно измеряется в г/(м2-год). При определении потери массы необходимо тщательно следить за полным удалением продуктов коррозии. Если продукты коррозии механическим путем (щеткой, шпателем, ватой, резинкой и др.) удаляются плохо, следует использовать специальные химические реактивы, растворяющие продукты коррозии, но не реагирующие с основным металлом.
В соответствии с ГОСТ 13819—68 о коррозии судят по толщине разрушенного металла. Проникновение коррозии П в мм/год определяется по формуле
П = ^.10-г, О
где К — потеря массы, г/(м2*год); 6 — плотность металла, г/см3.
Классификация металлов по их коррозионной стойкости производится по десятибалльной шкале в соответствии с ГОСТ 13819—68 (табл. 14).
Коррозия и методы защиты металлов от коррозии
59
14. Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов (ГОСТ 13819—68)
Группа Характеристика Скорость коррозии металла мм/год Балл
1 2 3 4 5 6 Совершенно стойкие Весьма стойкие Стойкие Пониженностойкие Малостойкие Нестойкие Менее 0,001 Более 0,001 до 0,005 » 0,005 » 0,01 » 0,01 » 0,05 » 0,05 » 0,01 » 0,1 » 0,5 > 0,5 > 1,0 > 1,0 » 5,0 > 5,0 » 10,0 » 10,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Примечания: 1. Под скоростью коррозии металлов в десятибалльной шкале следует понимать проникновение коррозии в глубину металла, которая рассчитывается из данных потери массы после удаления продуктов коррозии. 2. Оценка коррозионной стойкости металлов при скорости коррозии 0,5 мм/год и выше производится по группам стойкости, а при скорости коррозии ниже 0,5 мм/год — по баллам. 3. Десятибалльной шкалой коррозионной стойкости не допускается пользоваться при наличии в металле межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания.
15. Оценка коррозионной стойкости некоторых металлов в различных средах
Металл Влажный воздух, не содержащий солей Морская вода NaOH H2SO4 НС1 HNO,
холодный горячий холодная горячая 1 холодная горячая холодная горячая
Углеродистая сталь .... 2 2 4 4 1 1 1 1 1 1
Коррозионно-стойкая сталь 4 4 4 4 2 2 2 2 4 2
Алюминнй . • 3 2 1 1 2 1 1 1 3 3
Бронза оловя-нистая . • • 3 3 3 2 2 1 2 1 1 1
Бронза алюминиевая • • • 4 4 3 3 2 1 2 1 1 1
Хром 4 4 4 4 3 3 1 1 4 4
Никель .... 4 4 4 4 1 1 1 1 1 1
Кадмий .... 4 4 3 2 1 1 1 1 1 1
Цинк 4 2 1 1 1 1 1 1 1 1
Медь 2 2 4 3 2 1 2 1 1 1
Латунь .... 2 2 3 2 2 1 2 1 1 1
Свинец .... 4 3 2 1 4 3 3 2 1 1
Олово 4 4 2 1 1 1 1 1 1 1
Серебро .... 4 4 4 4 4 3 4 3 2 1
Золото .... 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
Платина • • • 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
Примечание. В таблице приняты условные обозначения; 1 — разрушается, растворяется; 2 — корродирует; 3 •=* медленно корродирует? 4 —• стоек в данной среде.
60
Свойства машиностроительных, материалов
Если процесс коррозии идет в основном с выделением водорода или поглощением кислорода, применяют объемный метод оценки коррозии. Скорость коррозии при этом определяется количеством выделившегося водорода [см3/(см2-сут)] или количеством поглощенного кислорода [см3/(см2«сут)].
Объемный метод оценки коррозии на один-два порядка точнее массового.
Когда коррозия носит неравномерный или местный характер, показатель потери массы должен быть дополнен глубиной проникновения коррозии.
О межкристаллитной коррозии удобно судить по изменению предела прочности и особенно удлинения.
Существуют другие способы оценки коррозии: по изменению отражательной способности поверхности металла; по изменению электрического сопротивления; по определению количества металла, перешедшего в раствор в процессе коррозии; по времени до появления первого коррозионного очага или определенной площади коррозии.
В табл. 15 приведены данные по коррозионной стойкости некоторых металлов и сплавов в различных средах.
Защита металлов от коррозии
Для защиты металлов от коррозии применяют электрохимическую защиту, защитные покрытия, обработку коррозионной среды и специальные антикоррозионные сплавы и металлы, устойчивые в данной среде.
Электрохимическая защита металла от коррозии осуществляется наложением электрического тока от внешнего источника или соединением с металлом (протектором), имеющим больший отрицательный (катодная защита) или больший положительный (анодная защита) потенциал, чем защищаемый металл.
Катодная защита — весьма важный метод борьбы с коррозией. При этом способе защиты в случае достаточно высокой плотности наложенного тока в отличие от анодной защиты, когда скорость коррозии очень мала, но не уменьшается до нуля, коррозию можно свести к нулю.
Электрохимическую защиту широко применяют для защиты железа стали, меди, свинца, алюминия при их работе в грунте, водных растворах (защита от коррозии подземных трубопроводов, кабелей, свай, шлюзовых ворот, морских трубопроводов, оборудования химических заводов).
Защитные покрытия. В большинстве случаев роль защитных покрытий сводится к изоляции металла от коррозионной среды.
Металлические покрытия. Защитные металлические покрытия широко применяют для защиты металлов от коррозии. Большинство металлических покрытий наносят или погружением в расплавленный металл, или гальванически. Находят применение и другие способы нанесения металлических покрытий (диффузионный, распыление, механотермический или плакирование).
Основные виды защитных и защитно-декоративнух покрытий, применяемых в различных условиях эксплуатации, приведены в ГОСТ 14623—69.
При выборе покрытия следует руководствоваться назначением детали, материалом детали, условиями эксплуатации, назначением по
Коррозия и методы защиты металлов от коррозии
61
крытия, способом нанесения покрытия, экономической целесообразностью.
Неорганические защитные пленки. Неорганические защитные пленки образуются в результате химического взаимодействия непосредственно на поверхности металла, превращающего поверхностный слой металла в химическое соединение. Наиболее распространенные защитные пленки окисные, фосфатные. Большинство пленок не обеспечивают достаточной защиты от коррозии. Их используют как грунт (фосфатные, окисные пленки), что повышает адгезию лакокрасочных покрытий с металлом.
Некоторые неорганические пленки предназначены для защиты от коррозии. Это оксидные пленки на стали, анодные на алюминии и магнии.
Образование оксидных пленок (оксидирование) достигается путем химической или электрохимической (анодной) обработки поверхности металлов. Фосфатные пленки получают на поверхности черных металлов путем химической обработки (фосфатирование) смесями фосфорнокислых соединений.
Эмали. Эмали представляют собой наплавленные на металл стеклянные покрытия. Эмали в основном состоят из боросиликатного стекла. Их высокая защитная способность определяется водо- и газонепроницаемостью. Эмали используются и как декоративные покрытия.
Лакокрасочные покрытия для обеспечения защиты от коррозии должны, с одной стороны, создавать надежный барьер, полную изоляцию металла от воздействия окружающей среды, с другой — тормозить протекание коррозионного процесса. В первом случае лакокрасочная пленка должна быть непроницаемой для воды, газов, хими-ческистойкой, эластичной, должна хорошо прилипать к поверхности металла и обладать механической прочностью. Во втором случае применяемый грунт (лакокрасочный слой, непосредственно примыкающий к металлу) должен тормозить электродные реакции.
Стойкость лакокрасочных покрытий приведена в табл. 16.
Покрытия резиной металлических поверхностей могут обеспечить надежную защиту от коррозии. Их применяют для высокоагрессивных сред.
Ингибиторы* Ингибиторами называют вещества, добавляемые в незначительных количествах в коррозионную среду, в результате чего значительно уменьшается или полностью устраняется коррозия металла. Ингибиторы применяют как в жидких, так и в газовых средах. Находят применение ингибиторы и для повышения защитных свойств смазок и лакокрасочных покрытий.
Смазки. Защитные смазки довольно широко применяют для защиты от атмосферной коррозии металлов. Полностью защитить металл от коррозии смазками не удается. В связи с этим их применяют для временной защиты (консервации) в основном при перевозке или хранении металлов и изделий из них. Для повышения защитных свойств смазок в них вводят ингибиторы.
Кислотоупорные плитки, вамазки, пластмассы применяют для облицовки аппаратуры, работающей в кислотах, щелочах и других агрессивных жидкостях и газах.
Обработка коррозионной среды. Обработка коррозионной среды заключается в удалении из состава среды стимуляторов коррозии (например, растворенный в воде кислород) или введении в среду
ьэ
16. Стойкость лакокрасочных покрытий в различных средах
Агрессивная среда Покрытие
битумное масляное глифта левое, модифицирован -ное горячей сушкой пентафалевое фенолформальдегидное модифицированное виниловое меламиноалкид-ное нитроцеллюлозное кремнийоргани-ческое эпоксидное
Атмосфера средних широт Н У П П П П У X X П
Тропический климат Н Н X X П П Н X У П
Вода пресная X У У У X П У У X п
Вода морская У Н У У У X Н У У X
Минеральные масла Н Н X X X X П У П X
Бензин Н Н У У X X X X X п
Углеводороды Н Н У У X У X X Н п
Кислоты У Н У н X п У У У X
Щелочи Н н н н X У У У Н п
Примечание. В.таблице приняты обозначения: Н — низкая стойкость; У — удовлетворительная стой кость; X — хорошая стойкость; П — превосходная стойкость.
Свойства машиностроительных материалов
Список, литературы
63
веществ (ингибиторов), замедляющих или полностью подавляющих коррозию.
Растворенный в воде кислород удаляют или химическим путем (пропускание воды над металлической стружкой или ее обработка восстановителями, например, сульфидами), или отгонкой в специальной аппаратуре.
Специальные антикоррозионные сплавы, металлы, устойчивые в данной среде. Этот способ ограничивается дефицитностью и дороговизной требуемых материалов, а также тем, что свойства сплава иногда не удовлетворяют предъявленным требованиям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акимов Г. В. Теория и методы исследования коррозии металлов. М., Изд-во АН СССР, 1945. 338 с.
2. Гуляев А. П. Разложение ударной вязкости на ее составляющие по данным испытания образцов с разным надрезом. — «Заводская лаборатория» 1967, т. 33., № 4, с. 473—475.
3. Дроздовский Б. А., Фридман Я. Б. Влияние трещины на механические свойства конструкционных сталей. М., Металлургиздат, 1960. 260 с.
4. Исследования механических свойств металлов. — В кн.: Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. М., «Машиностроение», 1974, с. 319.
5. Лашко Н. Ф., Лашко С. В. Вопросы теории и технологии пайки. Саратов, изд. Саратовского университета, 1974, с. 248.
6. Любимов Б. В. Защитные покрытия изделий. М., Машгиз, 1969. 215 с.
7. Петрунин Н. С., Лоцманов С. Н., Николаев Т. А. Пайка металлов. М., «Металлургия», 1973, с. 5 — 153.
8. Раузин Я. Р., Шур Е. А. Конструктивная прочность металлических материалов и методы ее оценки. — «Металловедение и термическая обработка металлов», 1972, Кв 4, с. 2—5.
9. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. Изд. 5-е доп. и перераб. М.—Л., Машгиз, 1971, с. 724—738.
10. Рубенкова Л. А., Щеглов Б. А. Механические испытания листового металла. М., «Машиностроение», 1963 (НТО Машпром).
11. Справочник по сварке Т. 3. Под ред. В. А. Винокурова. М.. Маш-гиз, 1970, с. 190—228.
12. Хряпин В. Е., Лакедемонский А. В. Справочник паяльщика. Изд. 4-е. М., Машгиз, 1974. 328 с.
13. Шоршоров М. X., Чернышова Т. А., Красовский А. И. Испытания металлов на свариваемость. М., «Металлургия», 1972. 240 с.
14. Элер Г. Листовой металл и его испытание. М., Машгиз, 1958. 282 с.
Глава 2
ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
СТАЛЬ
Строение и свойства
Сталь — сплав железа с углеродом (до 2%) и сопутствующими примесйми в виде марганца, кремния, серы, фосфора и др. Стали, применяемые в машиностроении, обычно содержат от 0,05 до 1,5% С.
Железо в твердом состоянии может находиться в двух модификациях: а и у.
а-железо имеет кубическую объемно-центрированную решетку, существует в двух интервалах температур: ниже 910q С и от 1401 до 1534° С; высокотемпературное состояние a-железа часто обозначают как д-же-лезо; у-железо имеет гранецентрированную кубическую решетку в температурном интервале 910—1401° С.
Углерод является вторым основным компонентом, определяющим структуру, механические и технологические свойства стали.
Примеси, присутствующие в стали, по Н. Т. Гудцову делят на четыре группы:
постоянные, или обычные (табл. 1) — марганец, кремний, фосфор и сера, если их содержание находится в пределах:
до 0,8% Мп; до 0,4% Si; до 0,05% Р и до 0,05% S;
скрытые — азот, кислород, водород, присутствующие в любой стали; в очень малых количествах (тысячные доли процента);
случайные — например, мышьяк, свинец, медь и др., попадающие в сталь из-за того, что они содержатся в рудах или шихтовых материалах данного географического района или связаны с определенным технологическим процессом производства стали;
специальные (легирующие элементы) — их вводят в состав стали для получения нужных по условиям службы деталей свойств стали. В этом случае сталь называют легированной. Сталь также будет легированной, если содержание кремния 0,5%, а марганца 1%.
Диаграмма состояния железо—углерод
Фазовое состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава и температуры описывается диаграммами стабильного (Fe—С) и метастабильного (Fe—Fe3C) равновесия, которые позволяют определить температурные интервалы деформации, литья и ряда процессов термической обработки.
При стабильном равновесии равновесной высокоуглеродистой фазой является графит, а при метастабильном — цементит. Фазовый состав сталей характеризует диаграмма Fe— Fe3C.
1. Влияние примесей на структуру и свойства стали
Элемент, его содержание, % Предельная растворимость, % Химические соединения Влияние на структуру и свойства
в феррите в аустените
Постоянные примеси марганец — до 0,8 кремний в спокойной стали — от 0,17 до 0,37, в кипящей — до 0,03 фосфор — до 0,05, в автоматных сталях до 0,1 До 12 До 15 При 1050° С до 28 Неограниченная . При 1100—1200° С до 4 При 1140° С ДО 0,6 (Fe, Мп)эС Fe8Si, Fe8Si8, FeSi, FeSi2 Fe3P, Fe8P, FeP, FeP8 Растворяется в феррите и цементите. Устраняет вредное действие серы, образуя сернистый марганец. Раскисляет сталь. Повышает прокаливаемость и прочностные свойства Растворяясь в феррите, повышает твердость и прочность стали. Раскисляет сталь Растворяясь в феррите, вызывает хладноломкость, т. е. повышенную хрупкость при нормальной и особенно при пониженной температуре. Улучшает обрабатываемость стали резанием, способствуя образованию хрупкой стружки
Сталь
Продолжение табл. 1
Элемент, его содержание,-% Предельная растворимость, % Химические соединения Влияние на структуру и свойства
в феррите в аустените
сера — до 0,05, в автоматных сталях *- до 0,3 Скрытые примеси кислород азот в низколегированных сталях до 0,001, в высоколегированных, особенно содержащих хром, до 0,03 — 0,08 При 900° С «0,03 При 590° С — 0,1 Тысячные доли При 650° С — 2,8 FeS-пирротит FeO-вюстит, Ре3О4-магнетит, Fe2O3—гематит Fe4N, Fe3N, Fe2N При наличии в стали V, Ti, Nb Al образуются нитриды этих элементов FeS вызывает в етали красноломкость вследствие образования по границам зерен легкоплавкой эвтектики Fe—FeS (988° С или Fe—FeS—FeO (940° С), что препятствует прокатке и ковке. Ухудшает механические свойства, коррозионную стойкость и свариваемость стали. Улучшает обрабатываемость резанием. Присадку серы в сталь применяют для улучшения обрабатываемости резанием и получения высококачественной поверхности при обработке на автоматах. В автоматную сталь вводят до 0,3% S и одновременно 0,06—0,12% Р. Серу вводят также в некоторые быстрорежущие етали для повышения стойкости инструментов Наличие 0,1% кислорода сильно повышает красноломкость. Твердые оксидные включения делают сталь более ^хрупкой и препятствуют обработке ее режущим инструментом. Значительно повышают .критическую температуру хрупкости Образует в стали мелкодисперсные, твердые нитриды. Способствует измельчению зерна
Черные металлы и сплавы
Сталь
67
При содержании углерода до 6,67% наблюдается неограниченная растворимость углерода в железе в жидком состоянии (рис. 1).
В твердом состоянии растворимость углерода ограничена и существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо.
Различают три твердых раствора углерода в железе: а-раствор (феррит), у-раствор (аустенит) и 6-раствор (6-феррит). Все они являются
Рис. 1. Диаграмма фазового равновесия Fe—Fe3C
твердыми растворами внедрения. В легированных сталях они могут быть также и твердыми растворами замещения. Максимальная растворимость углерода в феррите, аустените и 6-феррите соответственно составляет 0,006; 2 и 0,1%.
Линии АВ, ВС, CD—так называемые линии ликвидуса — показывают начало выделения кристаллов аустенита (АВ, ВС) или цементита (CD) из жидкой фазы при охлаждении или окончание плавления при нагреве.
Линии АН, HJ, JE, ЕС и CF — так называемые линии солидуса — соответствуют окончанию процесса затвердевания при охлаждении или началу плавления при нагреве.
Линия HJB — линия перитектического превращения (при охлаждении взаимодействие жидкого сплава состава В с 6-фазой состава Н и образование у-фазы состава J).
Линия ECF — линия эвтектического превращения: сохранившийся жидкий сплав эвтектического состава превращается при охлаждении в ледебурит.
68
Черные металлы и сплавы
2. Обозначения критических точек (температур) диаграммы (см. рис. 1)
Критическая точка Температура, Характер превращения
210 \ Переход цементита (Fe8C) из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве
At 723 Превращение аустенита в феррит и цементит (линия PSK) при охлаждении и обратный процесс при нагреве
АЛ 770 Переход феррита при нагреве из ферромагнитного состояния в парамагнитное и мз парамагнитного в ферромагнитное (линия МО) при охлаждении
At 723—910 Превращение феррита в аустенит (линия GS) при нагреве и обратный процесс при охлаждении
1401 — 1490 Превращение у-железа в 6-железо при нагреве и обратный процесс при охлаждении
А ст 723 — 1147 Начало выделения вторичного цементита из аустенита при охлаждении или окончание растворения в аустените при нагреве
Ас^ Начало образования аустенита при нагреве стали в результате превращения перлита
Превращение аустенита в перлит при охлаждении стали
А с3 Окончание образования аустенита из феррита при нагреве стали
Аг3 Начало превращения аустенита в феррит при охлаждении стали
Сталь'
G9
Линия GS'— линия начала превращения аустенита в феррит при охлаждении. В условиях равновесия критическую температуру у -> -> a-превращения принято обозначать А3. При нагреве и охлаждении соответственно эта критическая температура обозначается соответственно Ас3 и Аг3.
Линия SE — линия предельной растворимости углерода в аустените обозначается Аст. При охлаждении эта линия соответствует температурам начала выделения, а при нагреве — температурам окончания растворения цементита (вторичного) в аустените.
Линия МО — температура Кюри — соответствует превращению при охлаждении парамагнитного феррита в ферромагнитный и обратному переходу при нагреве. При нагреве эту критическую температуру обозначают Ас2, при охлаждении Аг2. Однако эти критические точки соответствуют одной и той же температуре.
Линия PSK — линия эвтектоидного равновесия (обозначают При охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоидной феррпто-цементитной. структуры, получившей название перлит. При нагреве и охлаждении обозначают ее соответственно Ас± и Arv
Линия PQ характеризует зависимость растворимости углерода в феррите от температуры. При охлаждении в условиях равновесия эта линия соответствует температурам начала выделения третичного цементита, а при нагреве — полному его растворению.
Обозначения критических точек (температур) диаграммы приведены в табл. 2.
Фазы и структуры
Характеристика основных фаз и структур сталей (рис. 2) приведена в табл. 3.
Влияние легирующих элементов на строение и свойства стали
Основные легирующие элементы сталей — марганец, кремний, хром, никель, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, алюминий, бор, редкоземельные металлы (церий, лантан и др.), азот.
В соответствии с принятой классификацией по действию на аллотропические модификации железа эти элементы делят на две группы.
Первая группа объединяет элементы, расширяющие область у-фазы. В эту группу кроме углерода и азота, образующих твердые растворы внедрения, входят также элементы, образующие растворы замещения (никель, марганец, кобальт).
Вторая группа объединяет легирующие элементы, уменьшающие (сужающие) область у-фазы (кремний, хром, алюминий, титан, ванадий, ниобий, молибден, вольфрам).
По отношению к углероду легирующие элементы можно распределить на три группы.
1. Графитизирующие элементы, к которым относятся кремний, никель, медь и алюминий. При значительном содержании в стали никеля, меди и особенно кремния протекает процесс графитизации, в результате которого цементит распадается на железо и графит. Эти элементы во всех случаях находятся в твердом растворе.
3» Основные фазы и структуры в сплавах железа (:ю Ю. М. Лахтину)
Фаза или структура Определение Растворимость углерода Кристаллическая решетка Т вердость по Бринеллю НВ Примечали
Феррит Аустенит Цементит Ледебурит Перлит Твердый раствор углерода и других элементов в а-же-лезе Различают: а) высокотемпературный феррит, обозначаемый о-феррит б) низкотемпературный сс-феррит (рис. 2, а) Твердый раствор углерода и других элементов в у-железе (рис. 2, б) Карбид железа FeeC. В присутствии примесей образуется легированный цементит, например (FeMn)eC, (FeCr)sC, (F eMnCr)sC Эвтектическая структура состоящая из аустенита (по еле охлаждения до t < — перлита) и цементита Эвтектоидная или квази-эвтектоидная структура, состоящая из феррита и цементита, имеющих пластинчатую форму (рис. 2, в). Во многих случаях получают зернистый перлит (рис. 2, е), когда зерна цементита расположены в фер- 0,1% (при 1493° С) 0,025% (при 723е С) 0,006% (при 20° С) До 2,06 (при 1147° С) 0,8% (при 723° С) 6,67% С Образуется при содержании в жидком сплаве 4,3% С Образуется из аустенита в процессе охлаждения-Для образования перлита в аустените ОЦК гцк Орторомбическая а = 4,514 А; b = 5,079 А; с = 6,729 А 80 170—200 850—.1000 Атомы растворенных элементов занимаю; междоузлия (G, N, Н), узлы (Мп, Сг, Ni, W, Mo, V и др.) и jдефектные области Легирующие элементы в стали могут образовывать сложные карбиды типа MjC8 МмС/), MeG М (MtC), МС, где М — сумма легирующих элементов, образующих карбид При наличии в стали значительных количеств Ст, W, Мо может образовываться при существенно более низких концентрациях углерода В сорбите или троостите содержание € может быть меньше или больше 0.8% (квазиэвтектоид) Чем больше степень переохлаждения (скорость охлаждения), тем дисперснее смесь феррита и цементита
Черные металлы и сплавы
Мартенсит ритной матрице. В зависимости от толщины пластин (Ао) различают: грубодифференцированный перлит (До = = 0,64-1,0 мкм); среднедифференцированный перлит или сорбит (До = 0,254-0,3 мкм); тонкодифференцированный перлит или троос-ТИТ (До = 0,14-4-0,15 мкм) Пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе (рис. 2, о, е) должно быть 0,8% С Такая же, как в исходном Тетрагональная. Чем выше содержание 180 — 250 з) 250 — 350 ») 350 — 450 «) 180 — 700 «J Сорбит и троостит могут образовываться как при распаде переохлажденного аустенита, так и в результате распада мартенсита при отпуске. В последнем случае цементит имеет не пластинчатую, а зернистую форму, феррит — повышенную плотность дефектов строения Мартенсит образуется из аустенита в интервале температур AfH—AfK
Бейнит Структура, состоящая из кристаллов пересыщенного углеродом a-твердого раствора (малоуглеродистого мартенсита) и карбидов. Различают: верхний бейнит, в котором частицы карбидов размещаются между пластинками а-фазы (рис. 2, ж): нижний бейнит, где а-фа-за имеет игольчатое строение, а дисперсные карбиды располагаются внутри пластин а-фазы (рис. 2, з) аустените углерода, тем больше отношение с/а; при 1,78% С da = 1,08 HRC 35-40 з) HRC 40 — 50 Для получения мартенсита скорость охлаждения из области аустенита должна быть выше критической Образуется в результате распада аустенита в условиях большого переохлаждения (обычно в интервале температур 450 — 200° С). Верхний бейнит образуется в верхней зоне промежуточного превращения. Нижний бейнит образуется при температурах, близких к точке А4Н
*) Под До понимают усредненную сумму толщин пластинок феррита п цементита.
1вердость мартенсита зависит от мартенсита НВ 600 — 700. содержания в нем углерода. При содержании углерода 0,6—1,5% твердость
») Твердость перлита (сорбита, троостита) и бейнита дана для стали, содержащей Карбиды, имеющие кристаллическую решетку простых карбидов хрома. Карбиды, имеющие решетку двойных карбидов вольфрама или молибдена. : 0.8%, С.
Сталь
72
Черные металлы и сплавы
Конструкционные стали
73
2. Нейтральные элементы, к которым относится кобальт. Кобальт в стали не образует карбидов и не вызывает графитизации. Находится в твердом растворе.
3. Карбидообразующие элементы, которые по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз располагаются в следующем порядке: Мп, Сг, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr.
При малом содержании карбидообразующих элементов Мп, Сг, W, Мо растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Более сильные карбидообразующие элементы (Ti, Zr, V, Nb) практически не растворяются в цементите и даже при самом небольшом своем содержании образуют специальные карбиды TiC, NbC, ZrC, VC и др.
Карбиды в легированных сталях в зависимости от состава, структуры и растворимости в аустените можно разделить на две группы.
К первой группе относятся карбиды типа М3С, М7С3, М23С6 и МвС, имеющие сложную кристаллическую решетку. Характерная особенность карбидов этой группы — их сравнительно большая растворимость в аустените при нагреве.
Ко второй группе относятся карбиды типа МС (TiC, NbC, ZrC и др.). Эти карбиды представляют собой так называемые фазы внедрения, в кристаллической решетке которых атомы металла располагаются по типу решеток простых металлов и практически не растворяются в аустените.
Влияние легирующих элементов на свойства стали заключается в основном в воздействии их на характер превращения переохлажденного аустенита и на состав карбидных или интерметаллидных фаз, образующихся в стали и выделяющихся в процессе распада мартенсита при отпуске.
Легирующие элементы, влияя на устойчивость переохлажденного аустенита, могут повышать или снижать (при введении кобальта) про-каливаемость стали, изменяя тем самым механические свойства изделий повышенных сечений.
Если в стали при отпуске выделяются специальные карбиды или интерметаллиды, сталь приобретает устойчивость против отпуска, а также повышенную твердость, прочность и износостойкость. Влияние некоторых легирующих элементов на фазовый состав, критические точки и свойства стали показано в табл. 4.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ *
Сталь углеродистая обыкновенного качества общего назначения
Свойства стали обыкновенного качества регламентируются ГОСТ 380—71 *. Эту наиболее широко распространенную сталь применяют в строительстве, для деталей машин, станков, автомобилей и тракторов, труб разного назначения, ширпотреба и др. при сравнительно неответственном назначении конструкций и деталей.
Группы стали обыкновенного качества и основные марки приведены в табл. 5.
Сталь группы А применяют, когда изделия у потребителя не подвергают горячей обработке (сварке, ковке и др.), и они поэтому сохра-
♦ В таблицах, где особо не оговорено, характеристики свойств даны по нижнему пределу.
4. Влияние легирующих элементез на строение и свойства легированной стали]
Легирующий элемент и его химические соединения Растворимость в а- и V-твердых растворах (феррите и аустените), % Влияние на критические точки, свойства стал? и ее структурные составляющие
Марганец Mn7Cs, Mnt3Ce. Ограниченная область а-твер- Понижает точки Ас3 и Act, но еще более значительно
Свободные карбиды марганца дого раствора (до 15%), от- Аг3 и Art. Повышает твердость, предел прочности,
в стали не встречаются. Основ- крытая область у-твердо го рас- текучести и сопротивление отрыву феррита. Понижает
ное его количество находится твора (непрерывная растворимость до 55%) пластичность феррита при содержании свыше 3—3,5%.
в твердом растворе и частично в карбиде железа (FeMn)3C Смещает эвтектоидную концентрацию в сторону более низких содержаний углерода. Каждый процент марганца понижает концентрацию углерода в эвтектоиде на 0,05—0,06%. В присутствии марганца карбид железа Fe3C сильно обогащается марганцем. Марганец в карбидах и твердом растворе содержится в отношении 1 : 4. Марганец повышает устойчивость аустенита в перлитной и промежуточной областях, понижает температуру мартенситного превращения, увеличивает прокаливае-мость стали, стабилизирует аустенит и повышает прочностные свойства стали
Никель Область а-твердого раствора Понижает точки Ас3 и Act и особенно Аг3 и Art
a) FeNi3 — типа сверхструк- ограниченная. при охлаждении. Повышает твердость и прочность,
туры; б) №3С — соединение не- Растворимость возрастает снижает критическую температуру хрупкости феррита.
с понижением температуры и Никелевый аустенит имеет высокую вязкость, малые
устойчивое, а в стали не обна- при 20° С составляет около прочность н твердость. Уменьшает содержание угле-
ружено ’0%. Открытая область у-твер- ч дого раствора рода в эвтектоиде. Повышает устойчивость переохлажденного аустенита в перлитной и промежуточной областях, понижает температуру мартенситного превращения. Вследствие снижения критической скорости охлаждения повышает прокаливаемость стали, стабилизирует аустенит в закаленной стали; в отожженных сталях незначительно повышает прочность; наиболее сильно уменьшает склонность к хрупкому разрушению закаленной и отпущенной стали при комнатной и пониженной температурах; увеличивает дисперсность карбидов при низком отпуске, но способствует их росту и коагуляции при высоком отпуске; способствует равномерному распределению углерода в цементованном слое. При повышенном содержании увеличивает сопротивление стали окислению при
Черные металлы и сплавы
Кобальт a) FeCo — типа сверхструк- При температурах ниже нагреве и ее прочность при повышенных температурах 1 (особенно в сталях с аустенитной структурой). Обес- 1 печивает получение высокой пластичности и вязкости наряду с повышенной прочностью До содержания около 50% повышает, а при более
туры; б) Со8С — соединения устойчивые, в сталях не ружены не-о.бна- 700° С в феррите растворяется до 75% кобальта. При содержании кобальта 35 — 65% феррит способен к упорядочению, что вызывает рост твердости. Кобальт неограниченно растворим в у-железе в твердом состоянии высоком понижает точку Ас3, повышает точку Ас^. Повышает температуру рекристаллизации и магнитного превращения (точку Кюри) феррита. Уменьшает способность аустенита к переохлаждению, повышает скорость превращения аустенита. Уменьшает количество остаточного аустенита в закаленной стали; повышает температуру мартенситного превращения. При отпуске закаленные кобальтовые стали снижают твердость медленнее, чем углеродистые. Кобальт повышает коэффициент диффузии углерода в аустените, способствует обезуглероживанию. В быстрорежущих сталях повышает горячую твердость и производительность резания
a) FeCr (a-фаза) образуется при 600 — 800° С. Ее выделение охрупчивает сталь; б) Сг2зСв, CTjCj, Сг8С2 в) CrN, Cr,N Растворимость хрома в a-железе неограниченна. Область Y-твердого раствора замкнута. Максимальная растворимость хрома в y-Fe около 12% при 1000° С Содержание до 7% снижает, а затем повышает точку Ас3. Повышает точку Хромистый феррит обладает повышенными поочностными свойствами, при содержании до 2% иг уменьшает склонность феррита к хрупкому разрушению, смещает максимальную скорость превращения аустенита в перлитной области к более высоким температурам; уменьшает скорость перлитного превращения, уменьшает скорость превращения в' промежуточной области и смещает максимум ее к более низким температурам. В случае полного растворения карбидов и, таким образом, значительного насыщения твердого раствора углеродом и хромом мартенситная точка стали существенно снижается и в стали сохраняется много остаточного аустенита. Хромистая сталь обладает повышенной устойчивостью против отпуска (вследствие гыделения специальных карбидов и уменьшения скорости рекристаллизации a-фазы). Хром повышает прокаливаемость стали, способствует получению высокой и равномерной твердости; наличие карбидов хрома или карбидов цементитного типа, легированных хромом, обеспечивает стали повышенную износостойкость. При содержании хрома в твердом растворе свыше 12 —13% значительно повышается устойчивость стали против коррозии и окисления
Конструкционные стали
Продолжение табл. 4
Легирующий элемент и его химические соединения Растворимость в а- и у-твердых растворах (феррите и аустените), % Влияние на критические точки, свойства стали и ее структурные составляющие
Молибден a) Fe7Mo4, FeMo б) Мо2С, МоС в) Mo2N, MoN Открытая область а-твердого раствора. При 1450° С растворяется около 37,5%, при 700° С - 9% при 20° С — 4 % Мо. Область у-тпсрдого раствора замкнутая. Максимальная растворимость молибдена в у-фа-зе — около 5% Повышает точки Ася и Act. Сильный карбидообразующий элемент. Образует карбиды типа (MoFe)t3C, и (Fe, Мо)вС, в которых вероятное соотношение атомов железа и молибдена Fe21Mo2C, и Fe4MotC. В карбиде (MoFe)23Ce могут растворяться хром и вольфрам, поэтому он может присутствовать в сталях (сплавах) разной легированности. В цементите (Fe3C) растворяется около 1% молибдена. Молибден повышает прокаливаемость стали, увеличивая устойчивость переохлажденного аустенита в перлитной области. Устойчивость аустенита в сталях с молибденом в промежуточной области изменяется мало.
Уменьшает чувствительность к перегреву, повышает устойчивость стали против разупрочнения при отпуске, увеличивает теплостойкость и сопротивление ползучести; устраняет склонность стали к отпускной хрупкости; тормозит процесс роста и коагуляции легированного молибденом цементита и специальных карбидов
Вольфрам a) Fe2W, Fe7We б) W2C, WC в) WtN, WN Открытая область а-твердого раствора. Растворимость при 1524° С — 15%, при 700° С — 4,5%. Область у-твердых растворов замкнутая. Максимальная растворимость вольфрама в а-твердом растворе при 600° С — около 6% Повышает точки Ася и Act. Повышает температуру рекристаллизации, твердость, предел прочности и предел текучести феррита, снижает пластичность. В сложнолегированных сталях (быстрорежущих, штамповых и т. п.) в качестве стабильной фазы присутствуют карбиды типа М,С—(Fe4W2C) и M23Ce —(Fe, Сг, W)23Ce. Вольфрам и образуемые им карбиды уменьшают склонность аустенита к росту зерна. Вольфрам повышает устойчивость аустенита в перлитной области, почти не влияя на его устойчивость в про-
Черные металлы и сплавы
межуточной области. Повышает устойчивость против отпуска. Придает сталям теплостойкость
Ванадий a) FeV—or-фаза, образуется .при содержании 29 — 60% ванадия, хрупкая, парамагнитная б) V2C VC (V4C3) в) VN Растворимость ванаДия и а-жслеза в твердом состоянии неограниченная. Область у-твердого раствора очень узкая (1,2 —1,5%) и замкнутая Повышает точки Ас3 и Act. Повышает прочность, температуру рекристаллизации, но снижает вязкость феррита. Сильный карбидообразующий элемент. Выделение карбидов ванадия при отпуске обеспечивает повышение твердости и теплоустойчивость. Замедляет превращение аустенита в перлитной, но не влияет на превращение в промежуточной области. Повышает дисперсность структуры перлита; увеличивает про-каливаемость стали, при закалке от высоких температур, обеспечивающих растворение карбидов ванадия, уменьшает ее при закалке от обычных температур; повышает устойчивость против отпуска.
Малые добавки ванадия способствуют измельчению зерна, повышают вязкость, а также весь комплекс механических свойств в нормализованном и улучшенном состояниях. Будучи активным раскислителем и дегазатором, ванадий рафинирует сталь и улучшает ее свариваемость вследствие связывания углерода в карбиды и газов в оксиды и нитриды. Образуя очень твердые карбиды, он обеспечивает стали повышенную износостойкость
Титан a) Fe2Ti, FeTi, б) TiC в) TiN, Ti,N FeTi« Максимальная раствори- мость в а — Fe а 6% при температуре 1300° С. С понижением температуры растворимость уменьшается. Область у-твердого раствора ограниченная (~1% Ti), замкнутая Повышает точки Ас3 и Ас^. Ферритные стали, содержащие титан, способны к дисперсионному твердению. Сильный карбидообразующий элемент. Способствует образованию в стали наследственного мелкого зерна, препятствует росту зерна при нагреве, выделяясь при отпуске в виде интерметаллидов. В высоколегированных сталях, содержащих никель и кобальт, титан значительно упрочняет их за счет эффекта дисперсионного твердения. Вводится в нержавеющие стали в качестве стабилизирующего элемента
Конструкционные стали
Продолжение табл. 4
Легирующий элемент и его химические соединения Растворимость в а- и у-твердых растворах (феррите и аустените), % Влияние на критические точки, свойства стали и ее структурные составляющие
Кремний a) Fe.Si, FeSi, FeB3i8, FeSif 6) SIC в сталях не образуется в) Si8N4 В с*железе растворяется до 15% Si при 1250° С. С понижением температуры растворимость уменьшается и при 20° С составляет около 5%. Область у-твердого раствора замкнутая. Максимальная растворимость около 2,5% (при 1170° С) Повышает точки Ас3 и Стали с ферритной структурой, содержащие кремний, относятся к магнитомягким материалам. Практически используются сплавы, содержащие до 4,5% кремния. Кремний повышает температуру рекристаллизации и твердость феррита. Сдвигает точку эвтектоидного превращения к меньшим концентрациям углерода. Способствует графитизации. Повышает прокаливаемость стали и устойчивость против отпуска.
Повышает пределы упругости и пропорциональности, снижает пластичность, повышает критическую температуру хрупкости. Высококремнистые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, но весьма хрупкие
Алюминий a) Al2Fe, AlkFe2, Al8Fe, AlFe. AlFe3, Al7Fe2 б) А14Сз в) AIN В a-железе растворяется свыше 30% A1. Область у-твердого раствора замкнутая, узкая (1% A1) Повышает точки Ас3 и Acit а также температуру мартенситного превращения. Повышает температуру рекристаллизации феррита и сопротивление газовой коррозии при повышенных температурах. Измельчает зерно. Связывая азот в нитриды, уменьшает склонность стали к старению, повышает ударную вязкость при пониженных температурах. Усиливает склонность стали к графитизации. Выделяясь в виде интер-металлидов в высоколегированных сталях, содержащих никель и кобальт, значительно их упрочняет
Черные металлы и сплавы
Конструкционные стали
79
5. Группы и основные марки стали обыкновенного качества
Группа Характеристика поставки Марки
А По механическим свойствам СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб
Б По химическому составу БСтО, БСт1, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСтб
В По механическим свойствам и химическому составу ВСт1, ВСт2, В СтЗ, ВСт4, ВСт5
няют свойства, полученные на металлургическом заводе. Химический состав этой стали не регламентируется, но указывается в сертификате.
Сталь группы Б подвергают у потребителя обработке, при которой механические свойства меняются, и уровень их, помимо условий обработки, определяется химическим составом. От последнего зависят также режимы горячей обработки у потребителя. Если при изготовлении конструкции и деталей применяется сварка, то гарантируются и химический состав, и механические свойства (группа В). Это необходимо потому, что свариваемость и механические свойства в зоне влияния сварки зависят от химического состава, а в остальных частях изделия свойства сохранятся на уровне, достигнутом на металлургическом заводе.
Сталь поставляют горячекатаной — сортовой, фасонной, толстолистовой, тонколистовой, широкополосной (универсальной) и холоднокатаной — тонколистовой, а-также в виде ленты, проволоки и метизов.
Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества приведен в табл. 6; механические свойства стали группы А при испытании на растяжение и изгиб — в табл. 7; ударная вязкость сталей ВСтЗсп, ВСтЗпс, ВСтЗГпс — в табл. 8; В табл. 9 даны режимы термической обработки и характеристики механических свойств крупных поковок; в табл. 10 — характеристики технологических свойств.
6. Химический состав стали (%) по плавочному анализу
Сталь С Мп Si
БСтО <0,23 — —
БОН кп 0,06—0,12 0,25-0,50 <0,05
БСт1пс 0,05 — 0,17
БСт1 сп 0,12—0,30
БСт1Гпс 0,7-1,1 <0,15
80
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 6
! Сталь С Мп Si
БСт2кп 0,09 — 0,15 0,25—0,50 <0,07 /
БСт2пс 0,05—0,17
БСт2еп 0,19 — 0,30
БСт2Гпо 0,7-1,1 <0,15
БСтЗкп 0,14—0,22 0,30—0,60 <0,07
БСтЗпо 0,40—0,65 0,05—0,17
БСтЗсп 0,12—0,30
БСтЗГпв 0,80—1,10 <0,15
БСт4кп 0,18—0,27 0,40—0,70 <0,07
БСт4пв 0,05—0,17
БСт4сп 0,12 — 0,30
БС14Г по 0,8—1/2 <0,15
БСтбпс 0,28—0,37 0.50—0,80 0,05—0,17
БСтбсп 0,15—0,35
БСтбГпс 0,22—0,30 0,80—1,20 <0,15
БСтбпс 0,38 — 0,49 0,50—0,80 0,05 —0,17
БСтбсп 0,15 — 0,35
Примечания: 1. Содержание Р в стали БСтО должно быть не более 0,07% и в остальных сталях не более 0,04%. 2. Содержание S в стали БСтО должно быть не более 0,06% и в остальных сталях не более 0,05%.
7. Характеристики механических свойств стали группы А в горячекатаном состоянии
Сталь ав’ кгс/мм2 от, кгс/мм2, для толщин, мм б8, %* ДЛЯ толщин, мм Изгиб на 180° ♦ для глщин,
<20 >20< <40 >40 < <100 >100 <20 >20 < <40 >40 <20 >20
Не менее
СтО ^31 — — — — 23 22 20 d = 2а Диаметр оправки увеличивается на толщину образца
Ст1кп 31^40 — — — — 35 34 32 d = 0 (без оправки)
Ст1сп Ст1пс 32—42 — — — — 34 33 31
Ст1Гпс 32 — 43
Ст2кп 33 — 42 22 21 20 19 33 32 30
Ст2сп Ст2пс 34 — 44 23 22 21 20 32 31 29
Ст2Гпс 34—45
СтЗкп 37 — 47 24 23 22 20 27 26 24 d « 0,5а
СтЗ пс СтЗсп 38-49 25 24 23 21 26 25 23
Конструкционные стали
Продолжение табл. 7
Сталь ав* кгс/мм8 ат, кгс/мм8, для толщин, мм бе. %, ДЛЯ толщин, мм Изгиб на 180° * для толщин,
<20 >20< <40 >40< <100 >100 <20 >20 < <40 >40 <20 >20
Не менее
СтЗГпс 38—50 25 24 23 21 26 25 23 d = 0,5а Диаметр оправки увеличивается на толщину образца
Ст4кп 41—52 26 25 24 23 25 24 22 d = 2а
Ст4пс Ст4сп 42 — 54 27 26 25 24 24 23 21
Ст4Гпс | 42—55
Ст5пс Стбсп 50-64 29 28 27 26 20 19 17 d = За
СтбГпс 46 — 60 29 28 27 26 20 19 17
Стбпс Стбсп • а — тс >60 •лщина о 32 бразца; 31 d — ди, 30 аметр 01 30 правки. 15 14 12 —
Черные металлы и сплавы
Конструкционные стали
83
8. Ударная рязкость сталей
Стали Вид проката Расположение образца относительно проката Толщина, Ударная вязкость, кгсм/см2 (не менее)
при температуре, °C После механического старения
+ 20 -20
Листовой Поперек 5—9 10—25 26—40 8 7 5 4 3 4 3
ВСтЗпо ВСтЗсп Широкополосный Вдоль 5—9 10—25 26—40 10 8 7 5 3 5 3
Сортовой и фасонный Вдоль 5—9 10—25 26—40 11 10 9 5 3 5 3
Листовой Поперек 5 — 9 10-30 31—41 8 7 5 4 3 4 3
ВСтЗГпо Широкополосный Вдоль 5—9 10—30 31—40 10 8 7 5 3 5 3
Сортовой и фасонный Вдоль 5-9 10—30 31—40 11 10 9 5 3 5 3
ВСт4пс ВСт4сп Листовой Поперек 5 — 9 10—25 26—40 7 6 4 — —
ВСт4Гпс Сортовой и фасонный Вдоль 5—9 10—25 26—40 10 9 7 — —
84
Черные металлы и сплавы
9. Режимы термической обработки и нормы механических свойств
Сталь Сечение поковок, мм Термическая обработка Температура, °C Механические свойства НВ (не более)
%’ кгс/мм2 6. % I Ф, %
Ст1 Ст2 — Нормализация 920—970 910—960 — — — ПО 116
СтЗ Ст4 Стб <200 900—950 880—930 850—900 38—50 50-64 36—50 23 — 29 58—65 45—56 131 143 170
Стб <зоо Нормализация с охлаждением на воздухе От 840—880 ДО 500—450 65 23 42 197
Высокий отпуск 620—650
Стб <400 Отжир 830—860 69 19 36 —
Высокий отпуск 620—640 60 27 52
Стб <220 Закалка в воде Отпуск 840—860 600—640 68-83 * 18 — 23 50 — 57 —
Закалка в масле Отпуск 840—860 580 — 620 71 — 87 ** 17 — 24 46 — 54
* от = 40-7-54 кгс/мм2; ан = 4,04-6,5 кгс-м/см2. ** от = 404-54 кгс/мм2; ан = 3,54-5,5 кгс-м/см2.
Примечание. В тех случаях, где нет пределов, даны приблизительные цифры.
Конструкционные стали
85
10. Характеристики технологических свойств
Сталь Свариваемость Способ сварки Обр аб аты в ае мость резанием
Состояние металла Коэффициент обрабатываемости kv (материал резца)
СтО Неограниченная РДС, АДС (под флюсом и газовой защитой)? ЭШС и КТС Горячекатаный НВ 103—107, °в= =47 кгс/мм2 2,10 (твердый сплав)? 1,65 (быстрорежущая сталь)
Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп Неограниченная РДС, АДС (под флюсом и газовой защитой); ЭШС и КТС. Для толщин свыше 36 мм рекомендуется подогрев и последующая термообработка Гр. Б — свариваемость (гарантируется по требованию заказчика) Гр. В — свариваемость (гарантируется) Горячекатаный НВ 137 1,8 (твердый сплав); 1,6 (быстрорежущая сталь)
СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпв Неограниченная РДС, АДС (под флюсом и газовой защитой); ЭШС и КТС Для толщин свыше 36 мм рекомендуется подогрев и обязательна последующая термическая обработка Горячекатаный НВ 124, °в= = 41 кгс/мм* 1,8 (твердый сплав); 1,6 (быстрорежущая сталь)
Ст5пс, Ст5сп Стбпс, Стбсп Ограниченная РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС (рекомендуется подогрев и последующая термообработка) Горячекатаный НВ 158, ав= = 65 кгс/мм2 1,2 (твердый сплав и быстрорежущая сталь)
Примечания: 1. Указанные стали не склонны к отпускной хрупкости и не обладают флокеночувствительностью.
2. Обозначения способов сварки: РДС — ручная дуговая; АДС — автоматическая дуговая; ЭШС — электрошлаковая; КТС — контактная.
3. Обрабатываемость стали резанием определена для условий получистового точения без охлаждения по чистому металлу резцами, оснащенными твердым сплавом, и резцами из быстрорежущей стали (Р18, Р12) при постоянных глубине резания, подаче и главном угле в плане резцов. Обрабатываемость оценивалась по скорости резания, соответствующей 60-минутной стойкости резцов, и определяется коэффициентами Kv (твердого сплава) и Kv (быстрорежущей стали) по отношению к эталонной стали. За эталонную сталь принята марка 45 при ов = 65 кгс/мм2 и НВ 179, скорость резания которой принята за единицу.
86
Черные металлы и сплавы
Сталь углеродистая качественная конструкционная
Углеродистые качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050—74) применяют для изготовления различных машин и механизмов. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке (с учетом допускаемых отклонений по стандарту) и в большинстве случаев более высоким содержанием Si и Мп. Это, а также более тщательная выплавка дают возможность широко применять для изделий из этих сталей различные виды термической и химико-термической обработки и, следовательно, получать широкий диапазон механических свойств, изготовлять изделия не только ковкой и холодной механической обработкой, а также холодной штамповкой, высадкой и др.
Стали этой группы можно подразделить на подгруппы.
1. Низкоуглеродистые стали высокой пластичности (марки 05 до 10 по ГОСТ 1050—74). Стали этой подгруппы хорошо деформируются в холодном состоянии (особенно методом глубокой вытяжки), не склонны к отпускной хрупкости, хорошо свариваются и применяются в случаях, когда при изготовлении деталей необходимы значительные пластические деформации (гиб, высадка, холодная штамповка, отбортовка и др.). Эти стали применяют для изготовления статически умеренно нагруженных деталей и узлов машин, не подвергаемых термической обработке, а также деталей, подвергаемых химико-термической обработке (цементация, нитроцементация, цианирование).
2. Низкоуглеродистые стали марок 15—25. Эти стали менее пластичны, несколько хуже деформируются в холодном состоянии, хорошо свариваются, нечувствительны к перегреву и отпускной хрупкости. Применяют их для малонагруженных динамическими нагрузками деталей. Термическая и химико-термическая обработка сталей этой подгруппы существенно повышает ее прочностные свойства.
3. Среднеуглеродистые стали повышенной прочности (марки с 30 по 55). Из сталей этой подгруппы изготовляют самые разнообразные детали. Различные виды термической обработки (изотермический отжиг, нормализация, улучшение, закалка с низким отпуском, поверхностное упрочнение ТВЧ и др.) значительно повышают эксплуатационные и прочностные свойства деталей.
4. Высокоуглеродистые конструкционные стали высокой прочности. Их применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высоких статических, динамических и вибрационных нагрузок. Для повышения прочности применяют различные виды термической обработки. Из сталей этой подгруппы изготовляют также подкат для весокопроч-ной проволоки, рессорно-пружинные детали.
Тонколистовую (толщиной от 0,5 до 3 мм) холоднокатаную малоуглеродистую качественную сталь, предназначенную для холодной штамповки деталей с весьма глубокой сложной и особо сложной вытяжкой, изготовляют в соответствии с требованиями ГОСТ 9045—70.* Сталь горячекатаную толстолистовую (от 4 до 14 мм толщиной) конструкционную качественную углеродистую для холодной штамповки поставляют в соответствии с ГОСТ 4041—71*; требования к стали качественной углеродистой для изделий, изготовляемых методом холодной высадки, регламентирует ГОСТ 10702—63*.
Конструкционные стали
87
Качественную углеродистую сталь выплавляют в конверторах с продувкой кислородом, в мартеновских и электрических печах. В зависимости от раскисления она бывает спокойной, полуспокойной (пс) и кипящей (кп).
В соответствии с ГОСТ 1050—74 изготовляют: горячекатаную и кованую сталь как с термической обработкой (отжиг, нормализация, высокий отпуск), так и без нее; калиброванную сталь и серебрянку (шлифованную) в нагартованном состоянии и после термической обработки (отжиг, высокий отпуск, нормализация, нормализация с отпуском, закалка с отпуском).
Сталь предназначается: а) для горячей обработки давлением; б) для холодной механической обработки по всей поверхности; в) для холодного волочения (подкат).
Химический состав стали и твердость после прокатки или ковки приведены в табл 11.
По ГОСТ 1050—74 сталь делится на 5 категорий в зависимости от вида обработки при поставке и требований к испытанию механических свойств. Если категория не указана в заказе, сталь поставляют по 2-й категории (табл. 12).
В табл. 13 приведены свариваемость, обрабатываемость резанием сталей различных марок.
Сталь пониженной прокаливаемое™ 58 (55ПП) (см. табл. 11) применяют для изготовления деталей тонких сечений, требующих высокой поверхностной твердости и подвергаемых термической обработке с нагревом ТВЧ. Эту сталь используют для изготовления ответственных деталей машин вместо легированных цементируемых сталей. Сталь с пониженной прокаливаемостью применяют в основном для изготовления автомобильных шестерен с модулем 3—6, тонких шпинделей и других деталей, от которых требуется высокая износоустойчивость при вязкой сердцевине. Детали из этой стали, прогретые по всему сечению, закаливаются на небольшую глубину. Поверхностный слой, имеющий высокую твердость на глубине 1—2 мм, гарантирует большую контактную прочность и износостойкость при достаточно вязкой сердцевине. Твердость на расстоянии 3 мм от закаленной поверхности образца не должна превышать HRC 43.
Низкая прокаливаемость сохраняется при нагреве в определенном интервале температур. Процесс охлаждения после нагрева должен быть интенсивным, так как критическая скорость закалки стали 55ПП равна 1000—2000° С/с, что в 5—7 раз выше, чем у стали 45.
При испытании на статический изгиб и удар образцы из этой стали значительно превосходят легированные стали 18ХГТ, ЗОХГТ и 12Х2Н4А, а по пределу контактной выносливости не уступают им. В то же время она значительно дешевле и технологичнее их и не содержит дефицитных легирующих элементов.
Сталь для холодной штамповки конструкционную качественную листовую поставляют в соответствии с ГОСТ 4041—71*, ГОСТ 9045—70*, ГОСТ 16523—70*, а также с техническими условиями.
Тонколистовую холоднокатаную малоуглеродистую сталь, предназначенную для холодной штамповки деталей с весьма глубокой сложной и особосложной вытяжкой, изготовляют по ГОСТ 9045—70* из сталей 08Ю, 08пс, 08Фкп и 08пс. Химический состав сталей приведен в табл. 14.
88
Черные металлы и сплавы
It . Химический состав стали и твердость после прокатки и ковки
Сталь Состав, % Твердость НВ без термообработки (не более)
С S1 Мп
05кп <0,06 <0,03 <0,40 —
08 кп 0,05—0,11 0,25—0,50 131
08по 0,05—0,17 0,35—0,65
08 0,05—0,12 0,17—0,37
Юкп 0,07—0,14 <0,07 0,25-0,50 143
Юпс 0,05—0,17 0,35-0,65
10 0,17—0,37
15кп 0,12—0,19 <0,07 0,25—0,50 149
15по 0,05-0,17 0,35—0,65
15 0,17—0,37
20кп 0,17—0,24 <0,07 0,25-0,50 163
20пс 0,05—0,17 0,35—0,65
20 0,17—0,37
25 0,22—0,30 0,50—0,80 170
30 0,27—0,35 179
35 0,32—0,40 207
40 0,37—0,45 217
Конструкционные стали
89
Продолжение табл. 11
Сталь Состав, % Твердость НВ без термообработки (не более)
С Si Мп
45 0,42—0,50 0,17-0,37 0,50-0,80 229
50 0,47—0,55 241
55 0,55—0,60 255
58 (55ПП) 0,55—0,63 0,10—0,30 <0,20 255
60 0,57—0,65 0,17—0,37 0,50—0,80
65 0,62—0,70
70 0,67—0,75 269
75 0,72—0,80 285
80 0,77—0,85
85 0,82—0,90 302
60Г 0,57—0,65 0,70—1,00 269
65 Г 0,62—0,70 0,90—1,2 285
70Г 0,67—0,75
Примечания: 1. По степени раскисления сталь обозначают: кипящая — кп, полуспокойная — пс, спокойная — без индекса.
2. В сталях всех марок содержание S допускается не более 0,04%. Р не более 0,035%.
3. Содержание Сг в стали марок 05кп, 08кп, 08пс и 08 допускается не более 0,10%; в стали марок Юкп, Юпс, 10 и 58 — не более 0,15%; в остальных — не более 0,25%.
90
Черные металлы и сплавы
12. Характеристики механических свойств стали 2-й категории, определяемые при растяжении и ударе
Сталь Термическая обработка заготовок ат< кгс/мм2 ав’ кгс/мм2 % ф, % %’ кгс-м/см2
не менее
08 Нормализация 20 33 33 60 «^1
10 21 34 31 55 1—.
15 23 38 27 55
20 25 42 25 55 —
25 28 46 23 50 9
30 30 50 21 50 8
35 32 54 20 45 7
40 34 58 19 45 6
45 36 61 16 40 5
50 38 64 14 40 4
55 39 66 13 35 —
60 41 69 12 35 —
65 42 71 10 30 —
70 43 73 9 30 —
75 Закалка 4* 4- отпуск 90 ПО 7 30 | -
80 95 110 6 30 | —
85 100 115 6 89 1 -
60Г Нормализация 42 71 1 11 1 | 35 | -
65Г 44 75 1 9
70Г 46 80 1 8
Примечание. Ударную вязкость определяют по требованию потребителя на термически обработанных образцах ^закалка 4-4- отпуск) типа I.
13. Характеристики технологических свойств некоторы х сталей
Сталь Свариваемость Способ сварки Обрабатываемость резанием
Состояние металла Коэффициент обрабатываемости Kv (материал резца)
08 Неограниченная (кроме химико-термически обработанных деталей) РДС; АДС (под флюсом и газовой защитой); ктс Горячекатаный НВ 131, ов = 32 — 42 кгс/мм2 2,1 (твердый сплав), 1,65 (быстрорежущая сталь)
10, Юкп Горячекатаный НВ 99— 107, ов = 46 кгс/мм2 2,1 (твердый сплав), 1,6 (быстрорежущая сталь)
15 Горячекатаный НВ 143 1,8 (твердый сплав)
20 Горячекатаный НВ 126—131, 0в = 46ч-50 кгс/мм2 1,7 (твердый сплав), 1,6 (быстрорежущая сталь)
25 Горячекатаный ов = = 46 кгс/мм2 1,7 (твердый сплав); 1,6 (быстрорежущая сталь)
30 Ограниченная РДС; АДС (под флюсом и газовой защитой); ЭШС (рекомендуется подогрев и последующая термообработка); КТС (без ограничений) Горячекатаный НВ 143, ов = 47 кгс/мм2 1,7 (быстрорежущая сталь)
35 Горячекатаный НВ 144 — 156, ов = = 52 кгс/мм2 1,3 быстрорежущая сталь)
40 Горячекатаный НВ 170, ов = 53 кгс/мм2 1,2 (твердый сплав)
Конструкционные стали
Продолжение табл. 13
Сталь Свариваемость Способ сварки Обрабатываемость резанием
Состояние металла Коэффициент обрабатываемости (материал резца)
45 Трудная РДС и КТС (необходимы подогрев и последующая термическая обработка) Горячекатаный НВ 170—179, % = ® 66 КГС/ММ2 1,0 (твердый сплав); 1,0 (быстрорежущая сталь)
50 Трудная РДС и КТС (необходимы подогрев и последующая термическая обработка) Горячекатаный НВ 196-202, ав « = 65 кгс/мм8 1,0 (твердый сплав); 0,7 (быстрорежущая сталь)
55 Для сварных конструкций не применяется КТС (с последующей термообработкой) Нормализованный НВ 212—225 1,0 (твердый сплав); 0,65 (быстрорежущая сталь)
60 Нормализованный НВ 241 0,7 (твердый сплав); 0,65 (быстрорежущая сталь)
65Г КТС (без ограничений) Закаленный и отпущенный, НВ 240, ав = = 84 кгс/мм8 0,85 (твердый сплав); 0,8 (быстрорежущая сталь)
Примечание. Условные обозначения способов сварки и коэффициент обрабатываемости — см. стр. 85.
Черные металлы и сплавы
Конструкционные стали
93
14. Химический состав, %, сталей для холодной штамповки
Сталь С (не более) Мп Si Р Ь Сг Ni Прочие
н< в более
08кп 0,10 0,25— 0,45 0,03 0,025 0,030 0,10 0,10 Си не более 0,15
08пе 0,09 0,20— 0,40 0,04 0,025 0,030 0,10 0,10 Си не более 0,15
08Ю 0,07 0,20— 0,35 0,01 0,020 0,025 0,03 0,06 Си не более 0,06 А1 металлический 0,02—0,07
08Фкп 0,08 0,20— 0,40 0,01 0,020 0,025 0,03 0,01 Си не более 0,01 V 0,02—0,04
Листовую углеродистую сталь, поставляемую в соответствии с ГОСТ 16523—70*, по способности к вытяжке подразделяют на сталь, обрабатываемую глубокой (Г) и нормальной (Н) вытяжкой.
Тонколистовую' холоднокатаную сталь толщиной от 0,5 до 3 мм, предназначенную для холодной штамповки деталей с весьма глубокой (ВГ), сложной (СВ) и особо сложной вытяжкой (ОСВ), поставляют по ГОСТ 9045—70*.
К качеству поверхности стального листа, предназначенного для холодной штамповки, предъявляются повышенные требования. Поверхность листов и рулонов углеродистой качественной конструкционной стали должна быть чистой, без плен, пузырей, трещин, вкатанной или невытравленной окалины, инородных включений и темных пятен. Дефекты местного характера допускается удалять путем зачистки при условии, что предельные минусовые отклонения по толщине листов не будут превышать норм.
Низколегированные стали
Низколегированными называют стали, содержащие до 0,2% С и до 2—3% в основном недефицитных легирующих элементов. Они ненамного дороже углеродистых, но обладают рядом важных преимуществ: более высоким пределом текучести, что позволяет снизить расход металла на 15—30%; пониженной склонностью к механическому старению; повышенной хладостойкостью, лучшей коррозионной стойкостью и износостойкостью; возможностью значительно повысить после закалки и отпуска прочность, вязкость, износостойкость и чувствительность к надрезу. Все это в сочетании с хорошей свариваемостью обусловило широкое применение этих сталей при изготовлении трубопроводов и аппаратов, всевозможных сварных конструкций в вагоностроении, автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении и др. Стали не флокеночувствительны и не склонны или мало склонны к отпускной хрупкости. За последнее время начинают внедряться высокопрочные бесперлитные и малоперлитные стали с весьма низким содержанием углерода, серы и фосфора, благодаря чему достигаются очень хорошая свариваемость, высокая ударная вязкость и низкий порог хладноломкости. Высокая прочность сталей в этом случае получается благодаря микролегированию ниобием, ванадием и титаном и применению регулируемой прокатки при изготовлении.
15. Химический состав (%) низколегированных сталей
Сталь С Si Мп Сг N1 Си V Другие элементы
Стали, применяемые для изготовления листового, сортового и фасонного проката
09 Г2 <0,12 0,17—0,37 1,4—1,8 <0,30 <0,30 <0,30 — —
09Г2Д <0,12 0,17 — 0,37 1,4— 1,8 <0,30 <0,30 0,15—0,30 — —
14 Г2 0,12 — 0,18 0,17—0,37 1,2—1,6 <0,30 <0,30 <0,30 — —
09Г2С <0,12 0,5 —0,8 1,3—1,7 <0,30 <0,30 <0,30 — —
09Г2СД <0,12 0,5—0,8 1,3 —1,7 <0,30 <0,30 0,15—0,30 — —
10Г2С1 <0,12 0,8—1,1 1,3—1,65 <0,30 <0,30 <0,30 — —
10Г2С1Д <0,12 0,8—1,1 1,3 — 1,65 <0,30 <0,30 0,15 — 0,30 — —
15ГФ 0,12 — 0,18 0,17—0,37 0,9-1,2 <0,30 <0,30 <0,30 0,05-0,12 —
15ГФД 0,12 — 0,18 0,17—0,37 0,9—1,2 <0,30 <0,30 0,15 — 0,30 0,05—0,12 —
15Г2СФ 0,12 — 0,18 0,4-0,7 1,3—1,7 <0,30 <0,30 <0,30 0,05—0,10 —
15Г2СФД 0,12 — 0,18 0,4 —0,7 1,3—1,7 <0,30 <0,30 0,15 — 0,30 0,05—0,10 —
10Г2Б <0,12 0,17 — 0,37 1,2—1,6 <0,30 <0,30 <0,30 *— Nb 0,02 — 0,05
10Г2БД <0,12 0,17—0,37 1,2—1,6 <0,30 <0,30 0,15—0,30 — Nb 0,02-0,05
10ХСНД <0,12 0,8—1,1 0,5 —0,8 0,6-0,9 0,5—.0,8 0,4 —0,6 — —
15ХСНД 0,12-0,18 0,4 —0,7 0,4 —0,7 0,6 —0,9 0,3—0,6 0,2 —0,4 — —
10ХНДП <0,12 0,17—0,37 0,3 —0,6 0,5 —0,8- 0,3-0,6 0,3 —0,5 — р 0,07 — 0,12 Al 0,08 — 0,15
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 15
Сталь С S1 Мп Сг NI Си V Другие элементы
Стали, применяемые для изготовления листового проката
12ГС 0,09—0,15 0,5—0,8 0.8—1,2 <0,30 <0,30 <0,30 — —
16ГС 0,12—0,18 0,4 —0,7 0,9—1,2 <0,30 <0,30 <0,30 — —
17ГС 0,14—0,20 0.4 —0,6 1,0—1,4 <0,30 <0,30 <0,30 — —
17Г1С 0,15—0,20 0,4 —0,6 1,15—1,6 <0,30 <0,30 <0,30 — —
14Г2АФ 0,12—0,18 0.3—0,6 1,2—1,6 <0,40 <0,30 <0,30 0,07—0,12 N 0,015—0,025
14Г2АФД 0,12—0,18 0,3—0,6 1,2—1,6 <0,40 <0,30 0,15—0,30 0,07 — 0,12 N 0,015—0,025
6Г2АФ 0,14 — 0,20 0,3—0,6 1,3— 1,7 <0,40 <0,30 <0,30 0,08—0,14 N 0,015—0,025
16Г2АФД 0,14—0,20 0,3—0,6 1,3— 1,7 <0,40 <0,30 0,15—0,30 0,08—0,14 N 0,015 — 0,025
18Г2АФпс 0,14 — 0,22 До 0,17 1,3—1,7 <0,30 <0,30 <0,30 ' 0,08—0,15 N 0,015—0,030
18Г2АФДпс 0,14 — 0,22 » 0,17 1,3—1,7 <0,30 <0,30 0,15—0,30 0.08—0,15 N 0,015—0,030
14ХГС 0,11 — 0,16 0,4 —0,7 0,9—1,3 0,5—0,8 <0,30 <0,30 —
15Г2АФДпс 0,12—0,18 До 0,17 1,2—1,6 <0,30 <0,30 0,2—0,4 0,08—6,15 N 0.015—0,030
Приме ч а н и я: 1. 1 В стали 10Г2С1Д допускается снижение содержания Si до 0,7%.
2. Содержание Р в стали должно быть не более 0,035% (за исключением стали 10ХНДП), S — не более 0,040%.
Конструкционные стали
16. Характеристики механических свойств низколегированных сталей
Сталь Толщина ^проката, мм Толстолистовая и широкополосная универсальная стали Сортовая и фасонная стали
V кгс/мм8 ат’ кгс/мм8 •о ан (кгс-м/см8) при температуре, °C %’ кгс/мм8 ат. кгс/мм8 б», % ан (кгс«м/см8) при температуре, °C
4-20 —40 -70 4-20 -40 -70
09Г2, 4 45 31 21 45 31 21
09Г2Д 5—9 45 31 21 3,5 45 31 21 — 4 3*
10 — 20 45 31 21 3 45 31 21 3 3
21 — 32 45 30 21 — 4 — 45 30 21 — 3
14Г2 4 47 34 21 47 34 21
5 — 9 47 34 21 3?5 — 47 34 21 3?5 3,5
10—20 46 33 21 — 3 46 33 21 3 3
21 — 32 46 33 21 — 3 — 46 33 21 3 —
12ГС 4 47 32 26 . .
5—9 47 32 26
10 47 32 26 — — — — — — — — —
1 16ГС 4 50 33 21
5 — 9 50 33 21 > 6 4 3 — — — —
10—20 49 32 21 6 3 2,5
21 — 32 48 30 21 6 3 2,5
33—60 47 29 21 6 3 2,5 —
Св. 60 до 160 46 28 21 6 3 2,5 — — — — —
17ГС 4 52 35 23
5-9 4 52 35 23 4,5 ___
10—20 50 34 23 — 3.5 — — — — — — —
Черные металлы и сплавы
— 17Г1С 4 5-9 10—20 52 52 52 36 36 35 23 23 23 — 4,5 4 — — — — — — 11 1
09Г2С, 4 50 35 21 50 35 21
09Г2СД 5 — 9 50 35 21 6,5 4 3,5 50 35 21 6,5 4 3,5
10 — 20 48 33 21 6 3,5 3 48 33 21 6 3,5 3
21 — 32 47 31 21 6 3,5 3 47 31 21 6 3,5 —
33-60 46 29 21 6 3,5 3 46 29 21 6 3,5
611—80 45 28 21 6 3,5 3 45 28 21 6 3,5 —
Св. 80 44 27 21 6 3,5 3 44 27 21 6 3,5 —
10Г2С1, 4 50 36 21 50 36 21
10Г2С1Д 5—9 50 35 21 6,5 4 3 50 35 21 6,5 7 3
10—20 49 34 21 6 3 2,5 49 34 21 6 3 2,5
21 — 32 48 33 21 6 3 2,5 48 33 21 6 3 —
33—60 46 33 21 6 3 2,5 46 33 21 6 3 —
61 — 80 44 30 21 6 3 2,5 44 30 21 6 3 —
81 — 100 44 30 21 6 3 2,5 44 30 21 6 3 —
15ГФ, 4 52 38 21 52 38 21 .
15ГФД 5—9 52 38 21 — 4 — 52 38 21 4
10-20 52 36 21 —- 3 — 49 35 21 3 —
21 — 32 48 34 21 — 3 — 47 33 21 — 3 —
15Г2СФ, 4 . 56 40 18
15Г2СФД 5—9 56 40 18 4 — 56 40 18 4 —
10-20 56 40 18 3,5 — 56 40 18 3,5 —
21-32 56 40 18 — 3,5 — — — — — — —
14Г2АФ, 4 55 40 20
14Г2АФД 5 — 9 55 40 20 4?5 3,5 — —— —»
10-50 55 40 20 4 3 — — — — — —
Конструкционные стали
Продолжение табл. 16
Сталь Толщина проката, мм Толстолистовая и широкополосная универсальная стали Сортовая и фасонная стали
%' кгс/мм* ат’ кгс/мм* % **9 ан (кгс*м/см2) при температуре, °C "в' кгс/мм* ат. кгс/мм* «о ан (кгс-м/см2) при температуре, °C
+20 —40 -70 +20 -40 -70
16Г2АФ, 16Г2АФД 4 60 60 45 20 — — — — — — — — —
5—9 45 20 — 4,5 3,5 — — — —
10—32 60 45 20 — 4 3 — —
33—50 58 42 20 — 4 3 — — — — — —
18Г2АФсп, 18Г2АФДсп 4 60 45 19 — — — — — — — — —
6—9 60 45 19 — 4,5 — — — — —
10—32 60 45 19 — 4 3 — — — — — —
10Г2Б 4 52 38 21 — — — 56 40 18 -
5-9 52 38 21 — 4 — 56 40 18 4
10 52 38 21 — 3 — 56 40 18 — З.Б —
10Г2БД 4 52 38 21 — — 52 38 21
5-9 52 38 21 — 4 — 52 38 21 4
10 52 38 21 — 3 — 52 38 21 — 3 —
14ХГС 4 50 35 22 — —
5—9 50 35 22 — 4 — —
10 50 35 22 — 3,5 — — — — — — —
Черные металлы и сплавы
10ХСНД 4 54 40 19 54 40 19
5—9 54 40 19 — 5 3,5 54 40 19 — 5 3,5
10—15 54 40 19 — 4 3 54 40 19 — 4 3
16-32 54 40 19 — 5 3 — — — — — —
33-40 52 40 19 — 5 3 — — — — — —
15ХСНД 4 50 35 21 — 50 35 21 __
5-9 50 35 21 — 4 3 50 35 21 — 4 3,5
10-20 50 35 21 — 3 3 48 33 21 — 3 3,0
21 — 32 50 35 21 — 3 3 48 33 21 — 3 —
15Г2АФДпс 4 55 40 19 — — — —
5—9 55 40 19 — 4,5 3,5 — — — — — —
10—32 55 40 19 — 4 3 — — — — — —
10ХНДП 4 48 35 20 ।—. — — 48 35 20 — —
5-9 48 35 20 — 4 — 48 35 20 — 4 —
Примечания: 1. Ударная вязкость при температуре —20° С должна быть не ниже норм, установленных для температуры —40° С. Ударная вязкость при температуре —50 — 60° С должна быть не ниже норм, установленных для температуры —70° С.
2. Ударную вязкость определяют при одной температуре, которая указывается в заказе.
Конструкционные стали
8
100
Черные металлы и сплавы
Низколегированную толстолистовую широкополосную универсальную и рулонную сталь поставляют в соответствии с ГОСТ 19282—73; круглую, квадратную, полосовую и фасонную — с ГОСТ 19281—73. Малоперлитные и бесперлитные стали изготовляются по техническим условиям.
Химический состав сталей стандартных марок приведен в табл. 15, характеристики механических свойств — в табл. 16. Сталь поставляют горячекатаной и термообработанной. Установлено 15 категорий поставки этих сталей в зависимости от нормируемых характеристик, химического состава, механических свойств при растяжении, изгиба в холодном состоянии, ударной вязкости при температурах от +20 до —70° С, ударной вязкости при температурах от +20 до —70° С после механического старения.
Сталь конструкционная легированная
В зависимости от содержания углерода стали делятся на цементуемые (низкоуглеродистые) и улучшаемые (среднеуглеродистые). Одно из основных отличий этих сталей от углеродистых сталей — более глубокая прокаливаемость, что позволяет получать высокие механические свойства в больших сечениях. Особенности структурных превращений этих сталей позволяют для получения нужных свойств широко использовать не только все виды термической и химико-термической обрабо-ток^но также применять при достаточном легировании термомеханическую обработку, с помощью которой можно достигать весьма высоких механических свойств.
Сталь легированную конструкционную поставляют в соответствии с ГОСТ 4543—71 и многими техническими условиями.
Химический состав стали стандартных марок и твердость отожженной или высокоотпущенной стали приведены в табл. 17.
В зависимости от содержания примесей, а следовательно, и свойств различают сталь: а) качественную; б) высококачественную; в) особо высококачественную (электрошлакового переплава); в зависимости от назначения проката: а) для горячей обработки давлением и холодного волочения (подкат); б) для холодной механической обработки по всей поверхности; в зависимости от вида обработки: а) горячекатаную; 6) кованую (в том числе с обточенной или ободранной поверхностью) диаметром или толщиной до 250 мм; в) калиброванную; г) круглую со специальной отделкой поверхности (серебрянку); в зависимости от заказа — на поставляемую как в горячекатаном, так и в термически обработанном состоянии (отоженную, высокоотпущенную или нормализованную с высоким отпуском); калиброванную и серебрянку в нагарто-ванном или термически обработанном состоянии (отоженную, отпущенную, нормализованную, закаленную и отпущенную).
Конструкционные стали
101
Характеристики механических свойств стали при 20° С, определяемые на термически обработанных образцах или образцах, вырезанных из термически обработанных заготовок, должны быть не ниже норм, приведенных в табл. 18. При других режимах термической обработки характеристики могут быть иные, такие, например, как в табл. 19, где показано для некоторых сталей изменение их в зависимости от температуры отпуска.
В табл. 20 приведены характеристики технологических свойств.
По требованию потребителя стали могут быть изготовлены с целым рядом дополнительных требований, оговоренных в ГОСТ 4543—71 и технических условиях: с нормированной прокаливаемостью, контролем обрабатываемости, величины зерна, доли вязкой составляющей в изломе образцов типа I, испытываемых на удар при температуре —60° С (для стали, предназначенной для машин и механизмов северного исполнения) и др.
Автоматные стали
Автоматные стали обрабатывают при высоких скоростях резания. При их применении снижается расход режущего инструмента и уменьшается шероховатость поверхности обрабатываемой детали.
Для достижения повышенной обрабатываемости в СССР до последнего времени применяли главным образом стали с повышенным содержанием серы. При увеличении содержания серы уменьшается трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия сульфидов марганца и ломкости стружки. Однако применение сернистых сталей ограничивается из-за некоторого снижения механических свойств и красноломкости.
В настоящее время применяют также свинецсодержащие стали.
Добавки свинца позволяют еще больше увеличить режим резания и срок службы инструмента. Свинец присутствует в стали в виде мелких округлых включений, связанных с сульфидами, и действует как разрушитель стружки сильнее, чем сульфид марганца. Кроме того, при резании образуется пленка свинца, уменьшающая трение между обрабатываемой деталью и инструментом.
Свойства стали и технологические характеристики при добавках свинца практически не меняются.
Недостаток при применении свинца — необходимость специальных мер при производстве свинцовистых сталей и при сварке из-за токсичных выделений.
Считается, что применение свинцовистых сталей целесообразно при снятии стружки в количестве 20% и более от массы обрабатываемой детали. Свинец добавляют в углеродистые и марганцовистые стали с высоким содержанием серы и в легированные конструкционные стали с низким содержанием серы. Примеры применения стали в автомобилестроении даны в табл. 21. Химический состав сталей приведен в табл. 22; характеристики механических свойств — в табл. 23 и 24.
17. Химический состав (%) и твердость конструкционных легированных сталей в состоянии поставки
Сталь С S1 Мп Ст N1 Другие элементы Характеристики твердости отожженной или высоко-отпущенно'5 стали диаметром или толщиной > 5 мм
Диаметр отпечатка1, мм (не менее) Число твердости НВ (не более)
15Х 0,12—0,18 0,17—0,37 0,40—0,70 Хромистые с 0,70—1,00 тали 4,5 179
15ХА 0,12—0,17 0,17—0,37 0,40—0,70 0,70—1,00 4,5 179
20 X 0,17—0,23 0,17—0,37 0,50—0,80 0,70—1,00 4,5 179
30 X 0,24—0,32 0,17—0,37 0,50—0,80 0,80—1,10 4,4 187
ЗОХРА 0,27—0,33 0,17—0,37 0,50—0,80 1,00—1,30 3,9 241
35 X 0,31 — 0,39 0,17—0,37 0,50—0; 80 0,80—1,10 4,3 197
38ХА 0,35—0,42 0,17—0,37 0,50—0,80 0,80—1,10 4,2 207
40Х 0,36—0,44 0,17—0,37 0,50—0,80 0,80—1,10 4,1 217
45Х 0,41 — 0,49 0,17—0,37 0,50—0,80 0,80—1,10 —— 4,0 229
50Х 0,46—0,54 0.17—0,37 0,50—0,80 0,80—1,10 — — 4,0 229
15Г 0,12 — 0,19 0,17—0,37 Ма 0,70—1,00 рганцов истые стали 4,7 169
20Г 0,17 — 0,24 0,17—0,37 0.70—1,00 4,5 179
25Г 0,22 — 0,30 0,17—0,37 0,70—1,00 4,3 197
30 Г 0,27—0,35 0,17—0,37 0,70—1.00 4,3 197
35Г 0,32—0,40 0,17 — 0,37 0,70—1,00 —— 4,2 207
40Г 0,37 — 0,45 0,17 — 0,37 0,70—1,00 4,2 207
45Г 0,42—0,5С 0,17—0,37 0,70—1,00 — 4,0 229
БОГ 0,48—0,56 0,17—0,37 0,70—1,00 4,0 229
10Г2 0,07—0,15 0,17—0,37 1,20—1.60 4,3 197
30Г2 0,26—0,35 0,17 — 0,37 1,40—1,80 4,2 207
35Г2 0,31 — 0,39 0,17—0,37 1,40—1,80 4,2 207
40Г2 0,36—0,44 0,17—0,37 1,40—1,80 4,1 217
45Г2 0,41—0,49 0,17—0,37 1,40—1,80 4,0 229
50 Г2 0,46—0,55 0,17—0,37 1,40—1,80 4,0 229
Черные металлы и сплавы
Хромомарганцевые стали
18ХГ 18ХГТ 20ХГР 27ХГР 25ХГТ ЗОХГТ 40ХГТР 35ХГФ 25ХГМ 0,15-0,21 0,17—0,23 0,18—0,24 0,25 — 0,31 0,22 — 0,29 0,24 — 0,32 0,38—0,45 0,31 — 0,38 0,23—0,29 0,17 — 0,37 0,17 — 0,37 0,17 — 0,37 0,17—0,37 0,17—0,37 0,17 — 0,37 0,17 — 0,37 0,17—0,37 0,17 — 0,37 0,90—1,20 0,80—1,10 0,70—1,00 0,70—1,00 0,80—1,10 0,80—1,10 0,70—1,00 0,95—1,25 0,90—1,20 0,90—1,20 1,00—1,30 0,75—1,05 0,70—1,00 1,00—1,30 1,00—1,30 0,80—1,10 1,00—1,30 0,90—1,20 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Ti 0,03 — 0,09 Ti 0,03 — 0,09 Ti 0,03 — 0,09 Ti 0,03 — 0,09 V 0,06—0,12 Mo 0,20 — 0,30 4,4 4,1 4,3 4,1 4,1 4,0 4,0 4,2 187 217 197 217 217 229 229 207
Хромокремнистые стали
ЗЗХС 38ХС 40ХС 0,29-0,37 0,34—0,42 0,37-0,45 1,00—1,40 1,00-1,40 1,20—1,60 0,30—0,60 0,30—0,60 0,30—0,60 1,30—1,60 1,30—1,60 1,30—1,60 1 = 1 1 I 241 255 255
Хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые стали
15ХМ 20ХМ ЗОХМ 30 ХМ А 35ХМ 38ХМ ЗОХЗМФ 40ХМФА 0,11-0,18 0,15—0,25 0,26—0,34 0,26—0,33 0,32 — 0,40 0,35 — 0,42 0,27—0,34 0,37 — 0,44 0,17—0,37 0,17-0,37 0,17 — 0,37 0,17—0,37 0,17 — 0,37 0,17—0,37 0,17 — 0,37 0,17—0,37 0,40 — 0,70 0,40—0,70 0,40 — 0,70 0,40 — 0,70 0,40 — 0,70 0,35—0,65 0,30—0,60 0,40—0,70 0,80—1,10 0,80—1,10 0,80—1,10 0,80—1,10 0,80—1,10 0,90—1,30 2,30—2,70 0,80—1,10 1 1 1 1 1 1 1 1 Mo 0,40-0,55 Mo 0,15 — 0,25 Mo 0,15 — 0,25 Mo 0,15 — 0,25 Mo 0,15—0,25 Mo 0,20 — 0.30 Mo 0,20 — 0,30 V 0,06 — 0,12 Mo 0,20—0,30 V 0,10—0,18 4,5 4,5 4,0 4,0 3,9 3,9 4,0 3,7 179 179 229 229 241 241 229 269
Хромованадиевые стали
15ХФ I 40ХФА 1 0,12-0,18 I 0,37—0,44 1 0,17-0,37 I 0,17-0,37 | 0,40-0,70 I 0,50—0,80 | 1 0,80—1,10 I | 0,80—1,10 1 I V 0,06-0,12 1 V 0,10—0,18 I 4,4 1 3,9 I 187 | 241
Нике ль молибденовые стали
15Н2М I 20Н2М 0,10—0,18 I 0,17—0,25 0,17—0,37 0,17—0,37 0,40—0,70 I 0,40—0,70 1,50-1,90 I 1,50-1,90 Mo 0,20—0,30 Mo 0,20-0,30 4,3 197
Конструкционные стали
Продолжение табл. 17
Сталь С S1 f Мп Cf N1 Другие элементы Характеристики твердости отожженной или высоко* отпущенной стали диаметром или толщиной > 5 мм
Диаметр отпечатка, мм (не менее) Число твердости НВ (не более)
Хромоникелевые и хромоникелевые с бором стали
20ХН 0,17—0,23 0,17—0,37 0,40—0.70 0,45—0,75 1.00—1,40 4,3 197
40ХН 0,36—0,44 0,17—0,37 0,50—0,80 0,45—0,75 1,00—1,40 — 4,0 229
45ХН 0,41 — 0,49 0,17—0,37 0,50—0,80 0,45—0,75 1,00—1,40 — 4,2 207
50ХН 0,46—0,54 0,17—0,37 0,50—0,80 0,45—0,75 1,00—1,40 — 4,2 207
20ХНР 0,16—0,23 0,17—0,37 0,60—0.90 0,70—1,10 0,80—1,10 —
12ХН2 0,09—0,16 0,17—0,37 0,30—0,60 0,60—0,90 1,50—1,90 — 4,2 207
12ХНЗА 0,09—0,16 0,17—0,37 0,30—0,60 0,60—0,90 2,75 — 3,15 4,1 217
20ХНЗА 0,17—0,24 0,17—0,37 0,30—0,60 0,60—0,90 2,75—3,15 — 3,8 255
ЗОХНЗА 0,27—0,33 0,17—0,37 0,30—0,60 0,60—0,90 2,75—3,15 — 3,9 241
12Х2Н4А 0,09—0,15 0,17—0,37 0,30—0,60 1,25—1,65 3,25—3,65 3,7 269
20Х2Н4А 0,16—0,22 0,17—0,37 0,30—0,60 1,25—1,65 3,25—3,65 — 3,7 269
Хро мокр е мнем арганцевые и хромокремнемарганцевоникелевые стали
20ХГСА 0,17—0,23 0,90—1.20 0,80—1,10 0,80—1,10 4,2 207
25ХГСА 0,22—0,28 0,90—1,20 0,80—1,10 0,80—1,10 — 4,1 217
ЗОХГС 0,28—0,36 0,90—1,20 0,80—1,10 0,80—1,10 — 4,0 229
30.Х ГСА 0,28—0.34 0,90—1.20 0.80—1,10 0,80—1,10 4,0 229
35 X ГС А' 0,32—0,39 1,10—1,40 0,80—1,10 0,80—1,40 3,9 241
30ХГСН2А 0,27—0,34 0,90—1,20 1,00—1,30 0,90—1,20 1,40—1,80 — 3,8 255
Хромо мар ганцев о нике левые и хромомарганцевоникелевые с титаном и бором стали
15ХГН2ТА 0,13—0,18 0,17—0,37 0,70—1,00 0.70—1,00 1,40—1,80 Ti 0,03 — 0,09 3,7 269
20ХГНР 0,16—0,23 0.17—0,37 0,70—1,00 0,70—1,00 0,80—1,10 4,3 197
20ХГНТР 0,18—0,24 0,17—0,37 0,80—1,10 0,40—0,70 0,40—0,70 Ti 0,03—0,09
38ХГН 0,35—0,43 0,17—0,37 0,80—1,10 0,50-0,80 0,70—1,00 4,0 229
Черные металлы и сплавы
Хромоникельмолибденовые стали
14Х2НЗМА 0,12—0,17 0,17—0,37 0,30-0,60 1,50—1,75 2,75-3,15 Мо 0,20—0,30 3,7 269
20ХН2М 0,15—0,22 0,17 — 0,37 0,40—0,70 0,40—0,60 1,60-2,00 Мо 0,20—0,30 4,0 229
30ХН2МА 0,27 — 0,34 0,17—0,37 0,30 — 0,60 0,30 — 0,60 1,25-1,65 Мо 0,20 — 0,30 3,9 241
38Х2Н2МА 0,33 — 0,40 0,17 — 0,37 0,25 — 0,50 1,30—1,70 1,30-1,70 Мо 0,20 — 0,30 3,7 269
40ХН2МА 0,37 — 0,44 0,17 — 0,37 0,50—0,80 0,60—0,90 1,25—1,65 Мо 0,15 — 0,25 3,7 269
40Х2Н2МА 0,35 — 0,42 0,17 — 0,37 0,30—0,60 1,25—1,65 1,35—1,75 Мо 0,20—0,30 3,8 255
38XH3MA 0,33 — 0,40 0,17-0,37 0,25 — 0,50 0,80—1,20 2,75—3,25 Мо 0,20—0,30 3,7 269
18Х2Н4МА 0,14-0,20 0,17—0,37 0,25-0,55 1,35—1,65 4,00—4,40 Мо 0,30—0,40 3,7 269
25Х2Н4МА 0,21—0,28 0,17—0,37 0,25—0,55 1,35—1,65 4,00—4,40 Мо 0,30—0,40 3,7 269
Хромоникельмолибденованадиевые и хромоникельванадиевые стали
30ХН2МФА 0,27-0,34 0,17—0,37 0,30—0,60 0,60—0,90 2,00-2,40 Мо 0,20-0,30 V 0,10-0,18 3,7 269
36Х2Н2МФА 0,33—0,40 0,17—0,37 0,25-0,50 1,30— 1,70 1,30-1,70 Мо 0,20-0,30 V 0,10—0,18 3,7 269
38ХНЗМФА 0,33—0,40 0,17—0,37 0,25—0,50 1,20— 1,50 3,00-3,50 Мо 0,35 — 0,45 V 0,10—0,18 3,7 269
45ХН2МФА 0,42—0,50 0,17—0,37 0,50—0,80 0,80— 1,10 1,30—1,80 Мо 0,20-0,30 V 0,10—0,18 3,7 269
20ХН4ФА 0,17-0,24 0,17—0,37 0,25-0,55 0,70- 1,10 3,75-4,15 1 V 0,10—0,18 3,7 269
Хромо алюминиевые и
хромо алюминиевые с молибденом стали
38Х2Ю 38Х2МЮА
0,35—0,43 0,35-0,42
0,20-0,40
0,20—0,45
0,20-0,40 0,30 — 0,60
1,50-1,80
1,35—1,65
| А1 0,50 — 0,80 ,Мо 0,15 — 0,25 А1 0,70-1,10
4,0
229
229
Конструкционные стали
Примечания: 1. Содержание Р в сталях должно быть не более: в качественных — 0,035%; высококачественных и особо высококачественных — 0,025%.
2. Содержание S должно быть не более: 0,035% в качественных; 0,025% в высококачественных и 0,015% в особо высококачественных.
3. Содержание остаточных элементов должно быть не более:N1 и Сг для всех категорий — до 0,30% каждого; Си для качественных, высококачественных 0,30% и для особо высококачественных 0,25%.
4. Твердость сталей 20ХНР, 25ХГМ, 20Н2М и 20ХГНТР устанавливают по соглашению.
5. В марки с буквой P- вводят до 0,005% В (по расчету).
ш
18. Характеристики механических свойств конструкционных легированных сталей
Сталь Термообработка от, кгс/мм’ ав» кгс/мм’ О' «О 4 aui кгс-м/см’ Размеры сечения заготовок для термообработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм
Закалка Отпуск
Температура, °C Среда охлаждения 1 Температура, °C Среда охлаждения
1-й закалки или нормализации 2-й закалки
не менее
Хромистые стали
15Х 15ХА 880 770—820 Вода или масло 180 Воздух или масло 50 70 12 45 7 15
20 X 880 770—820 Вода или масло 180 Воздух или масло 65 80 11 40 6 15
30 X 860 — Масло 500 Вода или масло 70 90 12 45 7 25
30ХРА 900 воздух 860 Масло 200 Воздух 130 160 9 40 5 —
35 X 860 •— Масло 500 Вода или масло 75 93 11 45 7 25
Черные металлы и сплавы
38ХА 860 — Масло 550 Вода или масло 80 95 12 50 9 25
40Х 860 — Масло 500 Вода или масло 80 100 10 45 6 25
45Х 840 — Масло 520 Вода или масло 85 105 9 45 5 25
50 X 830 — Масло 520 Вода или масло 90 НО 9 40 4 25
Марганцовистые стали
15Г 880 — Воздух 1 - — 25 42 26 55 - 1 25
20Г 880 — Воздух — — 28 46 24 50 — 25
25 Г 880 — Вода или воздух 560 Воздух 30 50 22 50 9 25
ЗОГ 860 — Вода или воздух 600 Воздух 32 55 20 45 8 25
35Г 860 — Вода или воздух 600 Воздух 34 57 18 45 7 25
Конструкционные стали
Продолжение табл. 18
Сталь Термообработка СТТ,- кгс/мм9 ов». кгс/мм? «о ан, кгс-м/сму Размеры сечения заготовок для термообработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм
Закалка Отпуск
Температура# °C Среда охлаждения Температура# °C Среда охлаждения 1
1-й закалки или нормализации 2-й закалки
не менее
Марганцовистые стали
40 Г 860 Вода или воздух 600 Воздух 36 60 17 45 6 25
45Р 850 — Масло или воздух 600 Воздух 38 63 15 40 5 25
50 Г 850 — Масло или воздух 600 Воздух 40 66 13 40 4 25
10Г2 920 — Воздух — — 25 43 22 50 — 25
30 Г2 880 — Масло или воздух 600 Воздух 35 60 15 45 — 25
Черные металлы и сплавы
35Г2 870 — Масло или воздух 650 Воздух 37 63 13 40 — 25
40 Г2 860 — Масло или воздух 650 Воздух 39 67 12 40 — 25
45Г2 850 — Масло или воздух 650 Воздух 41 70 11 40 — 25
50 Г2 840 — Масло или воздух 650 Воздух 43 75 11 35 — 25
18ХГ 880 — Хрол Масло юмарганцов 200 истые стали Воздух или масло 75 90 10 40 — 15
18ХГТ 880—950, воздух 870 Масло. 200 Воздух или вода 90 100 9 50 8 —
20ХГР 880 — Масло 200 Воздух или масло 80 100 9 '50 8 15
27ХГР 870 — Масло 200 Воздух 120 140 8 45 6 15
25ХГТ 880-950, воздух 850 Масло 200 Вода или масло 100 ПО 130 150 9 10 45 50 6 7 —
Конструкционные стали
Продолжение табл. 18
Сталь Т ермообработка (JTi КРС/ММ2 ов, кгс/мм’ о? <2 % ан, кгс м/см? Размеры сечения заготовок для термообработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм
Закалка Отпуск
1-й закалки или Н нормализации § и п ш 3 2-й закалки о О Среда охлаждения _ . Температураг °C i . Среда охлаждения
не менее
ЗОХГТ 880—950, воздух 850 Хромол Масло юрганцовис 200 тые стали Вода или масло 130 150 9 40 6 —
40ХГТР 840 — Масло 550 Вода или масло 80 100 11 45 8 25
35ХГФ 870 — Масло 630 Вода или масло 80 93 14 55 8 25
25ХГМ 860 — Масло 200 Воздух | ПО 120 10 45 8 —
33 ХС 920 Xpoj Вода или масло иокремнист 630 ые стали Вода или масло 70 90 13 50 8 25
Черные металлы и сплавы
38ХС 900 — Масло 630 Масло 75 95 12 50 7 25
40ХС 800 — Масло 540 Масло НО 125 12 40 3,5 25
Хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые стали
15ХМ 880 — Воздух 650 Воздух 28 45 1 21 55 12 30
20 ХМ 880 — Вода или масло 500 Воздух 60 80 12 50 9 15,
ЗОХМ 880 — Масло 540 Вода или масло 75 95 11 45 8 15
30 ХМ А 880 — Масло 540 Вода или масло 75 95 12 50 9 15
35 ХМ 850 — Масло 560 Вода или масло 85 95 12 45 8 25
38ХМ 850 — Масло 580 Воздух 90 100 11 45 7 25
ЗОХЗМФ 870 — Масло 620 Вода или масло 85 100 12 55 10 25
40ХМФА 8 60 — Масло 580 Масло 95 105 13 50 9 25
Конструкционные стали
Продолжение табл. 18
Сталь Т ермообработка , кгс/мм’ 2 .53 "о у , кгс-м/см2 1змеры сечения заготовок я термообработки (диа-тр круга или сторона адрата), мм '
Закалка Отпуск
Температура,- °C охлаждения ратураг ПС охлаждения
калки или лизании к X ч со X
СО СО т * со W Среда а> с *Е со 5 еГ ш О Z та Е д 0- 453 X
*7 о •-м X «: CJ ф и не менее
Хромованадиевые стали
15ХФ 880 760—810 Вода или масло 180 Воздух или масло 55 75 13 50 8 15
40ХФА 880 — Масло 650 Вода или масло 75 90 10 50 9 25
Никелемолибденовые
15Н2М I 20Н2М | 860 | 860 1 770—820 I Масло Масло I 180 180 I Воздух Воздух | 3; 1 s« I 'о | 18 1s LL
Хромоникелевые i и хромоникелевые с бором стали
20ХН । । 860 । 760—810 I Вода | или | масло | "° I Вода I или | масло 1 60 1 80 1 1 14 Г 1 • 1 “
Черные металлы и сплавы
40ХН 820 — Вода или масло 500 Вода или масло 80 100 11 45 7 25
45ХН 820 — Вода или масло 530 Вода или масло 85 105 10 45 7 25
50ХН 820 — Вода или масдо 530 Вода или масло 90 110 9 40 5 25 •
20ХНР 930—950, воздух 780—830 Масло 200 Воздух или масло 100 120 10 50 9 15
12ХН2 860 760—810 Вода или масло 180 Воздух или масло 60 80 12 50 9 15
12ХНЗА 860 760—810 Вода или * масло 180 Воздух или масло 70 95 И 55 9 15
20ХНЗА 820 — Масло 500 Вода или масло 75 95 12 55 И 15
12Х2Н4А 860 760—800 Масло 180 Воздух или масло 95 115 10 50 9 15
20Х2Н4А 860 780 Масло 180 Воздух или масло 110 130 9 45 8 15
Конструкционные стали
Продолжение табл. 18
Сталь Термообработка от, кгс/мм1 S * 0 ь б», % Ч>, % ан, кгс-м/см1 Размеры сечения заготовок для термообработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм
Закалка Отпуск
Температура, °C Среда охлаждения Температура, °C Среда охлаждения
1-й закалки или нормализации 2-й закалки
не менее
ЗОХНЗА 820 Хрс шоникелевые Масло и хромота 530 селевые с боре Вода или масло )М стал> 80 и 100 10 50 8 25
20ХГСА 880 Хромок ремы гмарганцевые Масло и хромокре 500 мнемарганцев Вода или масло оникелее 65 гые ста. 80 <iu 12 45 7 15
25ХГСА 880 — Масло 480 Вода или масло 85 110 10 40 6 15
ЗОХГС 880 — Масло 540 Вода или масло 85 110 10 45 4,5 25
Черные металлы и а
ЗОХГСА 880 •— Масло 540 Вода или масло 85 110 10 45 5 25
35ХГСА 950, масло 700, воздух 890 Масло 230 Воздух или масло 130 165 9 40 4 —
30ХГСН2А 900 — Масло 260 Воздух или масло 140 165 9 45 6 —
15ХГН2ТА Хромом 960, воздух арганцевоник 840 глевые и хрол Масло юмарганцев< 180 эникелевые с Воздух или масло тит ано 75 м и бор 95 *ом cmaj 11 IU 55 10 15
20ХГНР 930—950 780—830 Масло 200 Воздух или масло 110 130 10 50 9 15
20ХГНТР 38ХГН 850 850 — Масло Масло 200 570 Масло Вода или масло 100 70 120 80 9 12 50 45 8 10 15 25
14Х2НЗМА 880 770 Хромони Масло кельмолибд* 180 еновые стали Воздух 90 100 10 45 8 15
20ХН2М 860 780 Масло 200 Вода или масло 70 90 И 50 8 15
Конструкционные стали
Продолжение табл. 18
Сталь Термообработка от, кгс/мм8 (Тв, кгс/мм8 % ”9 % Ч ан, кгс«м/см8 Размеры сечения заготовок для термообработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм
Закалка Отпуск
Температура, °C Среда охлаждения Температура# °C Среда охлаждения
1-й закалки или нормализации 2-й закалки
не менее
Хромоникельмолибденовые стали
30ХН2МА 860 — Масло 530 Воздух 80 100 10 45 8 118
38Х2Н2МА 870 — Масло 580 Воздух или масло 95 ПО 12 50 8 25
40ХН2МА 850 — Масло 620 Вода или масло 95 85 ПО 100 12 12 50 55 8 10 25 25
40Х2Н2МА 870 — Масло 600 Вода или масло 95 110 10 45 8 25
Черные металлы и сплавы
ыхтмк 850. — Масло 590 Воздух 100 ПО 12 50 8 25
18Х2Н4МА 950 950, воздух 860 860 Воздух Масло 200 550 Воздух или масло 85 80 115 105 12 12 50 50 10 12 15 15
25Х2Н4МА 850 — Масло 560 Масло 95 ПО 11 45 9 25
Хромоникельмолибденованадиевые и хромоникельванадиевые стали
30ХН2МФА 860 — Масло 680 Воздух 80 90 10 40 9 25
36Х2Н2МФА 850 — Масло 600 Воздух 110 120 12 50 8 25
38ХНЗМФА 850 — Масло 600 Воздух 110 120 12 50 8 25
45ХН2МФА 860 — Масло 460 Масло 130 145 7 35 4 —
20ХН4ФА 850 — Масло 630 Вода 70 90 12 50 10 25
38Х2Ю 930 Хромоал юмг гниевая и xpt Вода или масло эмоалюмини 630 евая с молиб< Вода или масло Эеном а 75 •пали 90 10 45 8 30
38Х2МЮА 940 — Вода или масло 640 Вода или масло 85 100 14 50 9 30
Конструкционные стали
19. Характеристики механических свойств конструкционных легированных сталей в зависимости от температуры отпуска
Сталь Режим термообработки Температура отпуска, °C ат, кгс/мм1 (JB, кгс/мм1 «о Ф, % ан, кгс-м/см1 Твердость
40Х Закалка с 850® С в воде. 200 159 180 8 35 3 НВ 552
Охлаждение после отпуска 300 142 164 7,5 35 1,8 НВ 498
в воде 400 120 135 9 40 5 НВ 417
500 93 117 11 49 7,7 НВ 326
600 74 88 14 60 15 НВ 265
700 59 75 18 70 20 НВ 226
30 Г Закалка с 820® С в воде 400 80 100 5 37 5
500 70 90 10 55 9
600 55 75 15 65 17
20ХГР Закалка с 860® С в масле. 200 127,2 154,2 10,5 54,7 6,2 HRC 45
Охлаждение после отпуска 300 125,6 142,9 7,5 49,6 6,3 HRC 45
в масле 400 120,0 126,7 10,7 57,5 7,0 HRC 41
500 99,0 99,3 13,5 64,2 12,8 HRC 31
600 70,8 84,0 16,7 65,2 18,6 HRC 26
40ХН Закалка с 820® С в масле 400 125 140 10 41 3,3
450 115 130 13 47 3,7
500 110 118 14 51 4,7
550 89 105 17 57 7,8
600 78 93 20 60 8,5
650 68 82 21 63 11,2
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 19
Сталь Режим термообработки Температура отпуска, 'С от, кгс/мм5 ав, кгс/мм2 б», % % ‘Ф ан, кгс м/см2 Т вердость
12ХНЗА Закалка с 860° С в масле 200 130 140 12 60 10 НВ 400
• 300 115 130 13 68 8 НВ 380
400 ПО 122 14 68 8,5 НВ 375
500 95 105 19 70 12,0 НВ 280
600 68 75 24 75 17 НВ 230
20ХНЗА Закалка с 820* С в масле 200 130 148 56 6
300 120 133 56 5
400 ИЗ 120 60 6
500 102 112 63 7
600 81 83 70 15
20ХГНР Закалка с 860° С в масле и 200 127,2 154,2 10,5 54,7 6,2 Df ЛЕ
отпуск 300 125,6 142,9 7,5 49,6 6,3 П л\ L 40
Охлаждение после отпуска в 400 120,0 126,7 10,7 57,5 7,0 HRC 41
масле 550 99,0 99,3 13,5 64,2 12,8 HRC 31
600 70,8 84,0 16,7 65,2 18,6 HRC 25
40ХН2МА Закалка с 850° С в масле 200 163 179 10 50 6 НВ 525
300 150 163 10 50 5 НВ 475
400 127 140 12 52 6 НВ 420
500 110 120 15 59 9 НВ 350
600 88 98 20 62 15 НВ 275
Конструкционные стали
20. Технологические свойства конструкционных легированных сталей
Сталь Свариваемость Способ сварки Обрабатываемость резанием Флокеночув-ствитель-ность Склонность к отпускной хрупкости
Состояние металла Коэффициент обрабатываемости (материал резца)
15Х Неограниченная (кроме химико-термически обработанных деталей) РДС, КТС — — Нечувствительна Несклонна
20 X Горячекатаный НВ 131, ав = 47 кгс/мм2 1,7 (твердый сплав); 1,3 (быстрорежущая сталь) Малочувствительна
Склонна
35Х Ограниченная РДС, ЭШС (рекомендуются подогрев и последующая термообработка); КТС (рекомендуется последующая термообработка) Горячекатаный НВ 163, ав = 62 кгс/мм2 0,95 (быстрорежущая сталь)
40Х, 45Х Трудная РДС (необходимы подогрев и последующая термообработка); КТС (рекомендуется последующая термообработка) Горячекатаный, НВ 163—168, ов = 62 кгс/мм2 1,20 (твердый сплав); 0,95 (быстрорежущая сталь) Чувствительна
.50 X Горячекатаный НВ 207, ав = 64 кгс/мм2 0,85 (твердый сплав); 0,80 (быстрорежущая сталь)
20Г Неограниченная (кроме химико-термически обработанных деталей) РДС, АДС (под флюсом и газовой защитой), КТС (без ограничений) Нормализованный НВ 143-187 1,00 (твердый сплав); 0,96 (быстрорежущая сталь) Нечувстви- Несклонна
Черные металлы и сплавы
зог Ограниченная РДС, АДС (под флюсом рекомендуется подогрев и последующая термообработка); КТС (без ограничений) Нормализованный, НВ 149—197 1,0 (твердый сплав); 0,8 (быстрорежущая сталь) Склонна при 1,0% Мп
40Г Нормализованный, НВ 174 — 207 0,95 (твердый сплав); 0,70 (быстрорежущая сталь) Малочувствительна Склонна
50Г Трудная РДС (необходимы подогрев и последующая термообработка); КТС (без ограничений) Закаленный и отпущенный, НВ 202, ов = 73 кгс/мм” 0,90 (твердый сплав) Чувствительна Склонна при 1,0% Мп
45Г2 РДС (необходимы подогрев и последующая термообработка); КТС (необходима последующая термообработка) Нормализованный, НВ 229 0,8 (твердый сплав); 0,55 (быстрорежущая сталь) Малочувствительна Склонна
18ХГТ Неограниченная (кроме химико-термически обработанных деталей) РДС, КТС Нормализованный, НВ 156—159, ав = 54 кгс/мм2 1,1 (твердый сплав); 1,0 (быстрорежущая сталь) Нечувствительна Малосклонна
ЗОХГТ Ограниченная РДС, КТС (рекомендуются подогрев и последующая термообработка) Нормализованный, НВ 364, ав = 88 кгс/мм2 0,45 (твердый сплав); 0,25 (быстрорежущая сталь) Склонна
ЗОХМ, 30 ХМ А РДС, АДС (под флюсом и газовой защитой); АрДС (рекомендуются подогрев и последующая термообработка) Закаленный и отпущенный, НВ 229—269, ов = 95 кгс/мм2 0,7 (твердый сплав); 0,3 (быстрорежущая сталь) Малочувствительна Несклонна
Конструкционные стали
Продолжение табл/20
Сталь Свариваемость Способ сварки Обрабатываемость резанием Флокеночув-ствитель-ность Склонность к отпускной хрупкости
Состояние металла Коэффициент обрабатываемости (материал резца)
35ХМ Ограниченная РДС, АДС (под флюсом и газовой защитой); АрДС и ЭШС (необходимы подогрев и последующая термообработка) Закаленный и отпущенный, НВ 240 — 250, ов = 81 кгс/мм2 0,5 (быстрорежущая сталь) Чувствительна Несклонна
40ХФА Трудная РДС (необходимы подогрев и последующая термообработка); КТС (необходима последующая термообработка) Закаленный и отпущенный, НВ 241 0,75 (твердый сплав); 0,65 (быстрорежущая сталь) Склонна
40ХН РДС, АДС (под флюсом); ЭШС (необходимы подогрев и последующая термообработка) Горячекатаный, НВ 166—170 ов = 70 кгс/мм2 1,0 (твердый сплав); 0,9 (быстрорежущая сталь) Повышенно чувствительна
12ХН2 Ограниченная РДС, АДС (под флюсом) — Нечувствительна
12ХНЗА Горячекатаный, НВ 183—187 1,26 (твердый сплав); 0,96 (быстрорежущая сталь)
12Х2Н4А
Черные металлы и сплавы
зохгс, ЗОХГСА, 35ХГСА РДС, АДС (под флюсом и газовой защитой); АрДС, ЭШС (рекомендуются подогрев и последующая термообработка); КТС (без ограничений) Горячекатаный, НВ 207 — 217, ов = 72 кгс/мм” 0,85 (твердый сплав); 0,75 (быстрорежущая сталь) Чувствительна
38ХГН Трудная РДС (необходимы подогрев и последующая термообработка) Закаленный и отпущенный, НВ 187 — 236, ов = 65 кгс/мм2 1,0 (твердый сплав); 0,9 (быстрорежущая сталь'
20Х2Н4А РДС, АДС (под флюсом), ЭШС (необходимы подогрев и последующая термообработка) Кованая, НВ 156—163 1,40 (твердый сплав); 0,75 (быстрорежущая еталь) Сильно чувствительна Малосклонна
40ХН2МА РДС (необходимы подогрев и последующая термообработка) Горячекатаная, НВ 228—235, ов == 57 кгс/мм2 0,7 (твердый сплав); 0,4 (быстрорежущая сталь) Чувствительна Несклонна
40Х2Н2МА
— —
18Х2Н4МА РДС, АДС (под флюсом); ЭШС (необходимы подогрев и последующая термообработка) Кованая, НВ < 265 1,40 (твердый сплав) Сильно чувстви-тельнг
38Х2МЮА Для сварных конструкций не применяется. Закаленная и отпущенная НВ 240—277, ов = 80 кгс/мм2 0,75 (твердый сплав); 0,55 (быстрорежущая сталь) Чувствительна
Примечание. АрДС — аргонодуговая сварка.
Конструкционные стали
124
Черные металлы и сплавы
21. Применение автоматных сталей в автомобилестроении
Стали Применение
АП, АСИ Болты, гайки, обрабатываемые резанием Шаровые опоры, вилки включения сцепления, цепи
А12, А20 Шестерни коленчатого вала, вставки ручки прикуривателя, ролики кулачка привода замка двери, оси рычага диска сцепления, шестерни привода масляного насоса, валы редуктора привода спидометра, переходники угловой пресс-масленки водяного насоса, оси дроссельной заслонки, клапаны атмосферного усилителя тормозов, крышки обратного клапана, штуцера главного цилиндра тормоза, опоры колодки тормоза
АЗО, A40F Детали типа гаек, осей, шпилек, испытывающих более высокие напряжения
АС14ХГН Оси сателлитов дифференциала, ступицы, скользящие муфты синхронизатора
АС12ХН Храповики коленчатого вала, фланцы масляного насоса, ключи зажигания, направляющие штифты, рычаги переключения передач, тяги, гайки, муфты, оси рычага привода акселератора, оси крышки воздушного фильтра
АС19ХГН Детали типа промежуточной шестерни заднего хода, втулки шестерни вторичного вала коробки передач
АС20ХГНМ Венцы зубчатых синхронизаторов первичного вала коробки передач
АСЗОХМ Червяки рулевого управления
АС38ХГМ Кольца запорного подшипника полуоси
АС35Г2 Валики масляного насоса
АС40ХГНМ Ролики вала и сошки плунжера натяжителя цепи толкателя привода бензинового насоса
22. Химический состав (%) автоматных сталей
Сталь С Мп Si S Р Сг Ni Мо РЬ Стандарт или технические условия
А12 0,08— 0,16 0,60— 0,90 0,15— 0,35 0,08 — 0,20 0,08— 0,15 — — «— — ГОСТ 1414 — 54
А20 0,15 — 0,25 0,60— 0,90 0,15— 0,35 0,08— 0,15 <0,06 — — — —
АЗО 0,25— 0,35 0,70— 1,0 0,15-0,35 0,08— 0,15 <0,06 — — — —
А40Г 0,35 — 0,45 1,20— 1,55 0,15— 0,35 0,18— 0,30 <0,05 — — — —
АС35Г2 0,32 — 0,39 1,35— 1,65 0,17— 0,37 0,08— 0,13 <0,04 <0,25 <0,25 — 0,15 — 0,30 ТУ 14-1-514 — 73
АС12ХН 0,09— 0,15 0,3—0,6 0,17— 0,37 <0,035 <0,035 0,4 —0,7 0,5 —0,8 — о, is-о. 30
АС14ХГН 0,13— 0,18 0,7—1,0 0,17— 0,37 <0,035 <0,035 0,8-1,1 0,8—1,1 <0,10 0,15 — 0,30 ТУ 14-1-514 — 73; ТУ 14-1-529 — 73
АС19ХГН 0,16— 0,21 0,7—1,1 0,17 — 0,37 <0,035 <0,035 0,8-1,1 0,8—1,1 <0,10 0,15 — 0,30
Конструкционные стали
Продолжение табл. 22
Сталь С Мп Si S Р Сг Ni Мо РЬ Стандарт или технические условия
АСЗОХМ 0,27— 0,33 0,4 —0,7 0,17 — 0,37 <0,035 <0,035 0,8-1,1 <0,30 0,15— 0,25 0,15 — 0,30 ТУ 14-1-514 — 73; ТУ 14-1-529-73
АС38ХГМ 0,34 — 0,40 0,6—0,9 0,17 — 0,37 <0,030 <0,035 0,8-1,1 <0,30 0,15 — 0,25 0,15 — 0,30
АС40ХГНМ 0,37 — 0,43 0,5—0,8 0,17— 0,37 <0,030 <0,035 0,6—0,9 0,72— 1,1 0,15 — 0,30 0,15 — 0,30
АС20ХГНМ 0,18— 0,23 0,7—1,1 0,17 — 0,37 <0,035 <0,035 0,4 —0,7 0,4-0,7 0,15— 0,25 0,15 — 0,30 ТУ 14-1-529—73
АП 0,07— 0,15 0,8—1,2 <0,1 0,15 — 0,25 <0,1 — — — — ЧМТУ 4-142 — 69
АСИ 0,07— 0,15 0,8—1,1 <0,10 0,15— 0,25 <0,10 — — — 0,15 — 0,30 ТУ 14-1-512 — 73
АС14 0,10— 0,17 1,0-1,4 <0,10 0,15 — 0,30 <0,10 — — — о,is-о. 30 ТУ 14-1-512 — 73; - ТУ 14-1-258 — 72
АС45Г2 0,40— 0,48 1,35— 1,65 <0,10 0,24 — 0,35 <0,04 — — — 0,15 — 0,35 ТУ 14-1-271 — 72
Черные металлы и сплавы
23. Характеристики механических свойств автоматных сталей (ГОСТ 1414—75)
Сталь Горячекатаная сталь Холоднотянутая сталь
кгс/мм’ б. % Ф. % <УВ, кгс/мм’ i при диаметре прутка, мм б, % (не менее)
не к (енее до 20 20—30 выше 30
А12 42 — 57 22 36 60—80 55—75 52—70 7,0
А20 46—61 20 30 62—80 57—76 54—73 7,0
АЗО 52 — 67 15 25 64 — 84 60 — 80 55 — 77 6,0
А40Г 60—75 14 20 60—80 * 60—80 * 60—80 * 17,0 *
* Сталь .марки А40Г испытывают после высокого отпуска.
П р и м е ч а и и е. Механические свойства холоднотянутой стали определяются по требованию потребителя.
Конструкционные стали
24. Характеристики механических свойств автоматных сталей, поставляемых по техническим условиям
Сталь Размер сечения заготовки под термическую обработку, мм Термообработка Механические свойства Технические условия
Закалка Отпуск (Ув, кгс/мм2 S О'- •О S X X
Температура нагрева, °C Среда охлаждения Температура нагрева, °C Среда охлаждения
не менее
АС12ХН Образцы 900—920 Масло 150—180 Воздух 65 45 10 9 ТУ 14-1-514 — 73
АС14ХГН Образцы 860-880 Масло 150—180 Воздух 110 85 8 8 ТУ 14-1-514 — 73; ТУ 14-Д-529—73
АС19ХГН Образцы 865—885 Масло 150—180 Воздух 120 95 7 7 ТУ 14-1-514 — 73; ТУ 14-1-529 — 73
АС20ХГНМ Образцы 850—870 Масло 150—180 Воздух 120 95 7 6 ТУ 14-1-529 — 73
АСЗОХМ 16 860—880 Масло 510—560 Воздух 90 75 12 10 ТУ 14-1-514 — 73; ТУ 14-1-529—73
АС38ХГМ 20 — 25 860—880 Масло 580—620 Воздух 95 80 11 8 ТУ 14-1-514 — 73; ' ТУ 14-1-529 — 73
АС40ХГНМ 20—25 830 — 850 Масло 580—620 Воздух 100 85 12 9 ТУ 14-1-514 — 73; ТУ 14-1-529—73
Черные металлы и сплавы
Конструкционные стали
129
Сталь листовая углеродистая и низколегированная для котлостроения и сосудов, работающих под давлением
Из сталей этой группы изготовляют бесшовные трубы, а также барабаны, днища, обечайки и другие детали паровых котлов, работающие при давлении до 60 кгс/см2 и температуре до 450° С.
Для котлостроения и сосудов, работающих под давлением, изготавливают листовую сталь следующих марок: углеродистую — 12К, 15К, 16К, 20К (ГОСТ 5520—69)*; низколегированную — 16ГС, 09Г2С, 10Г2С1 (ГОСТ 19282—73). По требованию потребителя листы могут изготовляться из сталей ВСт2 и ВСтЗ по ГОСТ 380—71* с содержанием серы не более 0,040% и из стали 09Г2 (ГОСТ 19282—73). Химический состав сталей 12К, 15К, 16К, 18К и 20К приведен в табл. 25.
25. Химический состав (%) некоторых котельных сталей
Сталь С Si Мп Р S
Не С 1олее
12К 0,08—0,16 0,17 — 0,37 0,40—0,70 0,040 0,040
15К 0,12—0,20 0,15—0,30 0,35 — 0,65 0,040 0,040
16К 0,12—0,20 0,17—0,37 0,45—0,75 0,040 0,040
18К 0,14 — 0,22 0,17—0,37 0,55—0,85 0,040 0,040
20К 0,16—0,24 0,15-0,30 0;35 —0,65 0,040 0,040-
Стали северного исполнения
Основное требование к стали, из которой изготовлена машина или сооружение для севера, — малая чувствительность к хрупкому разрушению.
На склонность стали к хрупкому разрушению в основном влияют химический состав ее, величина зерна и микроструктура. Большинство легирующих элементов (Ni,Mn,Cr и др.) при небольшом их содержании понижают порог хладноломкости. Вредные примеси (S, Р, N, О2, As) повышают порог хладноломкости. Мелкозернистые стали менее чувствительны к хрупким разрушениям; поэтому для сталей северного исполнения рекомендуется применять модифицирование малыми добавками алюминия, титана, ванадия при выплавке и раскисление с добавкой повышенного по сравнению с обычным количеством алюминия, снижать температуру конца обработки давлением и проводить термическую обработку горячекатаного металла и зоны шва сварных соединений.
В табл. 26 приведены марки стали, нашедшие применение в промышленности, температуры и максимальные толщины, при которых эти стали могут быть использованы для деталей, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Для менее нагру-
5
130
Черные металлы и сплавы
26. Стали северного исполнения для деталей машин
Сталь Температура отпуска после закалки, °C ав, кгс/мм’ Температура применения, °C (не ниже) Толщина детали, мм (не более)
18Х2Н4ВА 200 130 — 100 200
18Х2Н4ВА 550—600 100 — 120 200
12ХНЗА 200 100 —89 40
12ХН2 200 90 —80 30
12Х2Н4А 200 120 —70 100
15ХМ 200 90 —60 20
20М 200 100 —50 15
15Х 200 80 —50 10
20 X 200 90 —40 15
20ХГНР 200 130 —20 70
20ХГР 200 130 0 50
18ХГТ 200 120 0 20
ЗОХГТ 200 150 0 30
ЗОХГТ 509—550 100 —30 30
ЗОХНЗА 550 100 —80 100
30 ХМ А 550 95 —80 30
38ХМЮА 600—650 100 —80 60
40ХН 500 100 —80 50
40 X НМЛ 580—600 ПО —80 70
38ХА 500 95 —60 25
40ХФА 600—650 100 —60 30
40 X 500 100 —60 25
35ХРА 550 95 —50 40
20Г 500 50 —70 10
35 500 70 —60 15
45 500 90 —50 20
40Г 500 100 —40 20
30 X ГСН А 600 110 —30 60
ЗОХГСА 600 ПО —20 40
35ХГСА 600 120 —20 50
45 Г2. 600 90 — 20 30
Примечания? 1. При термической обработка на прочность ниже указанной в таблице или при использовании в деталях с толщиной стенки менее 10 мм температура эксплуатации может быть понижена. 2. Максимальная толщина, указанная в таблице, обусловлена необходимостью получения сквозной прокаливаемости и однородности свойств по сечению.
27. Стали северного исполнения для сварных конструкций машин и механизмов
Сталь ГОСТ или ТУ Вид, толщина проката, мм Расчетная температура, °C Тип конструкции Дополн ительные требования к стали
09 Г2 09Г2С 10Г2С' 15ХСНД 10ХСНД 14Г2АФ 15Г2АФДсп ГОСТ 19282 — 73 Листовой, <40; сортовой и фасон-ный, <20 От —50 до —65 Несущие элементы конструкций: ходовые рамы машин, стрелы и башни, поворотные платформы и т. п., испытывающие воздействие растягивающих и изгибающих напряжений Ударную вязкость проверяют при —70* С
4МТУ 1-349—68 ТУ14-1-91—71
09Г2 09Г2С 10Г2С1 15ХСНД 10ХСНД 14Г2АФ 15Г2АФДсп ГОСТ 19282 — 73 От —40 до —50 Ударную вязкость проверяют при —40® С
ЧМТУ 1-349—68 ТУ 14-1-91 — 71
М16С ВСтЗспб ВСтЗГпсб ГОСТ 6713 — 53 ГОСТ 380 — 71* ГОСТ 380—71 * Листовой, <40 Листовой и фасонный, <25 Листовой и фасонный, <30 От —40 до —65 Несущие элементы конструкций, испытывающие воздействие сжимающих усилий, или слабонапряженные элементы, испытывающие воздействие растягивающих и изгибающих напряжений до 40% от расчетных Ударную вязкость проверяют при —20° С
ВСтЗкп, ВСтЗпс ГОСТ 380—71* Листовой и фасонный, <5 От —40 до —65 Вспомогательные элементы: лестницы, площадки, ограждения, обшивка кабин, кожухи и т. п.
Конструкционные стали
132
Черные металлы и сплавы
женных деталей, не испытывающих значительных ударных воздействий, допустимые температуры применения могут быть ниже температур, указанных в табл. 26.
Кипящая сталь по ГОСТ 380—71* не может быть рекомендована для изготовления ответственных сварных конструкций в «северном исполнении». Применение сталей 10ХСНД, 15ХСНД, 09Г2С вместо углеродистых повышает срок службы машин.
Марки стали для сварных конструкций в «северном исполнении», рекомендуемые ГОСТ 14892—69*. приведены в табл. 27.
Для литых деталей несущих конструкций, подлежащих сварке, следует применять стальное литье 20Л (содержание С не более 0,22%) группы III по ГОСТ 977—65* или низколегированное литье (содержание С не более 0,2%, Р и S — 0,05% каждого).
Стали для криогенной техники
Стали и сплавы, предназначенные для эксплуатации при сверхнизких температурах (ниже —80° С) и до температур жидкого гелия (—269° С), называют криогенными материалами. К этим материалам предъявляется комплекс требований: высокая прочность, вязкость (сопротивление хрупкому разрушению), коррозионная стойкость, хорошая свариваемость.
В СССР для криогенной техники изготовляют стали марок 12Х18Н10Т, 10Х14Г14Н4Т, 07Х21Г7АН5,0Н6А, 0Н9А, 03Х19Г10Н7М2, 03Х13Н9Д2ТМ и др.
В табл. 28 приведен химический состав криогенных сталей, в табл. 29 — характеристики механических свойств.
Наиболее распространены [криогенные стали 12Х18Н10Т и 10Х14Г14Н4Т, обладающие высокими пластичностью и вязкостью при сверхнизких температурах как в основном металле, так и в сварных соединениях. Эти стали имеют хорошие технологические свойства при горячей и холодной обработке давлением.
Из стали 07Х21Г7АН5 изготавливают различные штампованные, сварные и паяные конструкции.
Сталь 03Х19Г10Н7М2 применяют для изготовления сварных изделий, эксплуатируемых в интервале температур от 0 до —253° С, не требующих термической обработки после сварки. Эту сталь иногда подвергают ковке (интервал горячей механической обработки 1180—850 °C).
Для различных изделий, в том числе свариваемых, работающих в интервале температур от +20 до —253° С, применяют сталь 03Х13Н9Д2ТМ. Эта сталь нечувствительна к образованию горячих трещин при сварке, обладает повышенным сопротивлением против коррозионного растрескивания в условиях солевого тумана, 100%-ной влажности и в атмосфере, содержащей 0,01% SO3 при 96—98%-ной влажности. Горячая механическая обработка стали 03Х13Н9Д2ТМ в интервале температур 1150—850° С не вызывает затруднений.
Кроме сталей, обладающих противокоррозионными свойствами, для криогенной техники применяют некоторые стали, подверженные коррозии, например, стали 0Н6А, 0Н9А. Стали 0Н6 и ОН 9 технологичны при штамповке, гибке, выколотке и обработке резанием, они хорошо свариваются. Сварные соединения из этих сталей не требуют последующей термической обработки. Применяют стали указанных
28. Химический состав (%) криогенных сталей
Сталь С Сг Мп N1 Si S Р Другие элементы
Не более
12Х18Н10Т <0,12 17,0—19,0 <2,0 9,0—11,0 <0.8 0,020 0,030 Ti 5, С 0,8
10Х14Г14Н4Т <0,10 13,0—15,0 13,0—15,0 2,8—4.5 <0,8 0,020 0,030 Т1=5 • (С—0,02)—0,6
07Х21Г7АН5 <0,07 19,5—21,0 6,0—7,5 5,0—6,0 <0,7 0,030 0,030 N 0,15—0,25
0Н6 <0,06 0,45—0,60 6,5—7,0 0,17—0,37 0,02 0,02 **
0Н9 <0,06 — 0,45 — 0,60 8,5-9,5 0,17—0,37 0,02 0,02
03Х19Г10Н7М2 <0,03 18,5—20,5 9,0—11.0 6,5—7,5 <0,8 0,025 0,035 Мо 2,0—2,5 N 0,30—0,40
03Х13Н9Д2ТМ <0,03 12,0-13,0 <0,5 8,0—9,0 <0,5 0,025 0,020 Ti 0,8—1,1 Мо 0,5—1,0 Си 1,5-2,0
Конструкционные стали
29. Характеристики механических свойств криогенных сталей при различных температурах испытания
ов, кгс/мм* ао,2* кгс/мм‘ 0» % Ф» % ан' кгс-м/ем?
Сталь о о £ 1 -196 °C Эо ES3- О о 1 Эо 961- -253 °C О о 1 —196 °C о со ю 7 О м 1 Эо 961- О Й 1 О О $ 7 Эо ess-
12Х18Н10Т , 120 185 32 65 42 32 50 42
10Х14Г14Н4Т 130 150 45 55 45 40 50 50
03X19F10H7M2 109 149 196 65 ПО 162 74 43 26 77 28 42 28 28 8
07Х21Г7АН5 102* 166 130 ** 153** 59 * 95 100** 124** 73 * 58 83* 55 23 16 14** 12
0Н6 (после двойной нормализации) 90 75 24 65 8
0Н6 (после закалки с отпуском) 85 65 22 60 5
0Н9 (после двойной нормализации) 100 85 1 । 60 1
* Данные для листа толщиной 12 мм. *» Данные для толстого листа.
Примечание. Для сталей 0Н6 и 0Н9 । в графе но.2 приведены данные пс > пределу текучести от.
Черные Mei
Сталь для отливок
135
марок для установок, с помощью которых получают жидкие газы (кислород и азот), для изготовления резервуаров, где хранят сжиженные газы, и других изделий, работающих при температурах до —196° С.
СТАЛЬ для отливок
Применение и состояние производства
Современная техника литейного производства позволяет получать изделия непосредственно отливкой или с дополнительным использованием сварки (сварно-литые изделия) любой степени сложности.
Примеры применения стальных отливок показаны в табл. 30.
'30. Применение стальных отливок
Стали Отливаемые изделия
Малоуглеродистые Среднеуглеродистые Высокоуглеродистые Низколегированные Высоколегированные, жаропрочные Коррозионностойкие Износостойкие Детали железнодорожных вагонов, отжигательные горшки, корпуса и детали электродвигателей постоянного тока и др. Детали железнодорожных вагонов и грузовых автомобилей, станков, прокатных станов, горного оборудования, элеваторов, строительных машин, шестерни, задвижки и др. Гибочные, вырубные, отделочные штампы; валки, станочный и ручной инструмент, детали, работающие в условиях среднего абразивного износа, и др. Детали элеваторов и транспортеров породы; детали сельскохозяйственных машин и автомобилей; инструментарий для обработки давлением; предметы вооружения и броня и др. Задвижки, фланцы, фиттинги, детали рудообжигательных и термических печей, нефтеперегонных установок, цементных мельниц, тигли, реторты, лопасти и лопатки турбин, детали реактивных двигателей и др. Задвижки, насосы, детали пищевого оборудования, горных, бумагоделательных, текстильно-красильных машин, фильтры, мешалки; детали, работающие в морской воде, и др. Черпаки, зубья и другие детали экскаваторов, детали транспортного и дробильного оборудования; железнодорожные крестовины, стрелки, траки и др.
Литейные свойства и особенности конструкции
По сравнению со многими литейными сплавами у стали значительно хуже литейные свойства. Усадка у нее больше, чем у чугуна и большинства цветных сплавов. При затвердевании объем ее сокращается от 2 до 5% (соответственно при содержании углерода от 0,1 до 0,7%). При затвердевании с температуры солидуса до температуры окружающей среды объем углеродистой стали сокращается на 7,2—7,5%. Линейная усадка при этом равна 2,2—2,5%. В связи с тем, что в реальных условиях затвердевания из-за механического и термического торможе
136
Черные металлы и сплавы
ния свободная линейная усадка не может быть реализована, фактическое изменение линейных размеров отливки меньше и у тонкостенных отливок сложной конфигурации составляет 1,23—1,5%, а у толстостенных 2,0—2,3%. Такую усадку принято называть литейной.
Литейная усадка, зависящая от многих причин, даже для отливок одного и того же типа нестабильна и в реальных условиях может изменяться в заметных пределах, сказываясь соответствующим образом на точности отливок.
Жидкотекучесть и формозаполняемость у стали также хуже, чем у чугуна и большинства других литейных сплавов.
Указанные свойства часто могут быть причиной образования в стальных отливках (особенно из высоколегированных сталей) различных литейных пороков (усадочных раковин, пористости, трещин, коробления, транскристаллизации и др.).
В табл. 31 показаны развес и толщины стенок для различных стальных отливок в сравнении с деталями, изготовленными горячей штамповкой, и из металлокерамики.
31. Варианты технологического процесса изготовления стальных отливок
Технологический процесс Развес, кг Минимальная толщина етенки, мм
Литье в песчаные формы .•«.... Литье в оболочковые формы • . • • • Литье по выплавляемым (растворяемым) моделям Металлокерамические изделия после ка-либровки . . 0,1—300 000 0,05—120 0,005-» 1 000 0,03—15 0,005—4 6 3.5 1.0 2 0,5
Диаграмма железо-углерод применительно к реальным литым углеродистым и низколегированным сталям показана на рис. 3 (сплошные линии — обычная диаграмма, пунктирные — реальные стали для отливок).
В табл. 32 показано влияние различных химических элементов на снижение температуры ликвидуса.
32. Влияние элементов на снижение температуры ликвидуса
Элементы | Снижение температуры ликвидуса (°C) на 1% элемента в стали Предел содержания элемента, % (не более)
С 80 1
Si 14 5
Мп 4 23
Ni 2,6 20
а 1,4 15
Мо 1,2 10
А1 3,4 10
S и Р 35 2
Сталь для отливок
137
При введении в сталь хрома от 15 до 25% температура ликвидуса снижается очень мало, а при увеличении содержания хрома свыше 25% она начинает возрастать.
Температура ликвидуса при наличии в стали нескольких компонентов может быть с достаточной степенью точности рассчитана по формуле 61 = 1539 — /э» где t3 — суммарное изменение температуры под влиянием компонентов и примесей.
Рис. 3. Диаграмма железо—углерод, видоизмененная для литых промышленных углеродистых и низколегированных сталей: Н — 1494° С — 0,07 % С; J — 1494* С — 0,18 % С;
В — 1494е С — 0,51% С; N — 1390е С
Для всех углеродистых сталей общего применения, а также низколегированных, высоколегированных хромистых и хромоникелевых интервал затвердевания равен 30—55° С. Для высокоуглеродистых и высокомарганцовистых сталей он увеличивается с 60 до 120° С, если содержание углерода возрастает с 0,6 до 1% (см. рис. 3).
Влияние углерода на изменение температурного интервала кристаллизации даже при наличии других компонентов является определяющим. У марганцовистых сталей, широко распространенных при производстве стальных отливок, увеличение содержания марганца с 8,7 до 15,1% весьма существенно снижает температуру ликвидуса, но не изменяет температурный интервал ликвидус-солидус, который примерно равен 100° С.
Общая классификация
Общими классификационными признаками сталей для отливок обычно считают способ выплавки, химический состав, структуру, назначение.
138
Черные металлы и сплавы
83. Характеристики различных сиесобов выплавки стали
Способ плавки Основные исходные материалы Основной источник тепла для процесса Характер литья Выплавляемые стали
Кислый конвертерный на воздушном дутье (малое бессемерование) Бессемеровский чугун Расплавленный чугун. Окисление углерода и кремния Литье средней ответствен ноати, преимущественно мелкое и среднее. Возможна отливка изделий массой до 2 т (иногда и более) Мало- и средн су гле-родистые
Кислый конвертерный на кислородном дутье Бессемеровский чугун и стальной лом То же Тонкостенное литье ответственного назначения. мелкое и среднее. Возможно производство отливок массой в несколько тонн Мало- и среднеуглеродистые, а также некоторые марки легированных
Мартеновский основной Чугун и стальной лом в любых пропорциях Газообразное или жидкое топливо Среднее и крупное литье Углеродистые и легированные
Мартеновский кислый Чистый QO фосфору и сере стальной лом е добавлением чугуна То же То же То же
Электро-дуговой основной Стальной лом Электрическая дуга Тонкостенное литье ответственного назначения, преимущественно мелкого и среднего развеса Углеродистые и легированные с низким содержанием серы
Электро-дуговой кислый Стальной лом, чистый по фосфору и сере То же То же Преимущественно углеродистые и малолегированные
Индукционные печи (кислые и основные) Стальной лом Индукциро-ванная электроэнергия Тонкостенное, преимущественно мелкое литье ответственного назначения Преимущественно легированные и сплавы с особыми физическими свойствами
Сталь для отливок
139
По способу выплавки различают стали, выплавленные кислым или основным процессом.
По химическому составу стали для отливок делят на углеродистые, низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.
По структуре различают отливки из сталей: мартенситных, мартен-си тн о-ферритных, ферритных, аустенитно-мартенситных, аустенитно-ферритных и аустенитных.
Отливки из сталей бывают обычного, ответственного и особо ответственного назначения.
Способы выплавки
В табл. 33 приведены характеристики различных способов выплавки стали, применяемые в литейном производстве стальных отливок.
Кроме перечисленных в табл. 33 способов плавки, применяют комбинированные процессы (так называемые дуплекс- и триплекс-процессы)
в которых используются последовательно два или три типа плавильных агрегатов.
В особых случаях плавку стали для отливок осуществляют в вакууме или контролируемой атмосфере, а также в электронных плавильных устройствах во взвешенном состоянии, подвергают внепечной металлургической обработке (обрабатывают в расплавленном шлаке, продувают нейтральными газами и различными порошкообразными смесями).
Влияние состава на свойства
Прочность, пластичность и твердость углеродистых сталей зависят главным образом от содержания углерода и характера термической обработки (рис. 4). Легирующие добавки по-разному влияют на прочностные показатели и пластичность.
На свойства легированных сталей оказывает влияние толщина сечения отливок. Особенно заметно это влияние на прокаливаемость и
Рис. 4. Влияние содержания углерода На прочность» пластические свойства и твердость углеродистых литейных сталей:
1 — закалка в воду и отпуск при 650* С; 2—нормализация; 3—нормализация и отпуск при 650* С; 4—отжиг
34. Характеристики механических, эксплуатационных и технологических свойств сталей для отливок
Стали S .56 £ % е> б, % Е X 10’ кгс/мм” Характеристики
эксплуатационных свойств технологических свойств
Предельная рабочая температура (под нагрузкой), °C Стойкость против абразивного износа Циклическая вязкость Коррозионная стойкость Свариваемость Обрабатываемость резанием Литейные
Углеродистые:
мало-(0.2 % С) • • • • 35—5? 26—38 108—150 20—21 480 П П П О У У
средне-(0,2—0,5% С) 49—84 12—32 140—240 20—21 480 У П П X У У
высоко-(0,5—1,0% С) 70—140 2—23 200—400 20—21 480 X П П X У-Ц У
Низколегированные • • В ысоколегированные: 50—175 2—35 105—500 20—21 540 У—X П П —У X—У V У
жаропрочные • . • • 45—140 2—35 130—400 19—20 1175 п-х П X—О X—У У—п У
коррозионностойкие 49—140 8—60 140—400 19—20 980 П— X П X—О X —У У—п У
износостойкие (аусте-нитные) ...... t 56—140 15—55 180—550 19 260 о П У У п У
Примечание. В таблице приняты обозначения; О — отлично; X хорошо) У — удовлетворительно; П — плохо.
Черные металлы и сплавы
Сталь для отливок
141
пластичность в массивных сечениях. Развитие новых областей техники, сопровождающееся усложнением конструкции механизмов и машин, а также повышением параметров протекающих в них процессов, привело к широкому использованию при изготовлении отливок высокопрочных сталей переходных (преимущественно аустенитно-мартенситных) классов. Аустенитно-мартенситные стали чаще всего применяют при изготовлении точных отливок методом выплавляемых моделей. Такие отливки в большинстве случаев изготовляют без припусков на механическую обработку или с очень малыми припусками. Для улучшения многих свойств такие стали выплавляют с добавками редкоземельных элементов. Малые добавки редкоземельных металлов изменяют кинетику диффузионных процессов в сталях, обеспечивают большую чистоту границ зерен и определяют характер выделения на границах кристаллитов, рафинируют их от вредных примесей и др. Таким образом, можно существенно улучшить свойства литых сталей при нормальных, отрицательных и высоких температурах.
В табл. 34 приведены механические, эксплуатационные и технологические свойства различных сталей для отливок.
Марки и технические требования
В зависимости от назначения и требований отливки сталей из различных марок разделяют на три группы (см. табл. 35).
35. Назначение отливок и методы контроля
Группа Назначение Применение Обязательные методы контроля
I Обычного назначения Для деталей, не рассчитываемых на прочность, конфигурация и размеры которых определяются кон- структивными и технологическими соображениями Наружный осмотр; контроль размеров; определение химического состава
II Ответственного назначения Для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при статических нагрузках Наружный осмотр; контроль размеров; определение химического состава; определение механических свойств — предела текучести или временного сопротивления разрыву и относительного удлинения
III Особо ответственного назначения Для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при динамических и знакопеременных нагрузках Те же, что для отливки ответственного назначения, и дополнительное определение ударной вязкости
Отливки из конструкционной нелегированной стали изготавливают из стали марок 15Л, 25Л, ЗОЛ, 35Л, 45Л, 50Л и 55Л. Содержание С (в зависимости от марки стали) 0,15—0,55%, Мп — 0,3—0,9%, Si —
142
Черные металлы и сплавы
0,2—0,4%, S — до 0,045—0,06%, Р — до 0,04—0,08%. Остаточное содержание Сг, Ni и Си в отдельности не должно превышать 0,3%.
Для обеспечения требуемых механических свойств или снятия внутренних напряжений отливки следует подвергать термической обработке. Рекомендуемые режимы термической обработки приведены в в табл. 36.
36. Рекомендуемые режимы термической обработки отливок
л ч «J Рекомендуемый режим термической обработки Характеристики механических свойств
а0.2’ . кгс/мм’ ав‘ кгв/мм’ % % ч 2 с» 1s xg Q * НВ
и не менее
15Л Н 910—930° С или Н 910—930° С, О 670—690° С 20 40 24 35 5,0 109—136
25Л Н 880—900° С, О 610—630° с 24 45 19 30 4,0 124—187
25Л 3 870—890* С, В, О 610—630° С 30 50 22 33 3,5 131 — 207
ЗОЛ Н 880—900* С, О 610—630° С 26 48 17 30 3,5 131 — 197
ЗОЛ 3 860—880° С, В, О 610—630° С 30 — 17 — 3,4 137—217
35Л Н 860—880° С, О 600—630° С 28 50 15 25 3,5 137—217
35Л 3 860—880° С. М, О 600—630° G 35 — 16 — 4,0 143—229
45Л Н 860—880° С, О 600—630° С 32 35 12 20 3,0 143—229
45Л 3 860—880* С, М, О 650—600° С 40 75 10 20 2,5 166—241
50Л Н 860—880° С, О 600—630° С 34 58 11 20 2,5 159—229
50Л 3 860—880° С, М, О 600—630* С 40 — 14 — 3,0 187—240
55Л Н 840—860* С, О 600—630° С 35 60 10 18 25 159—229
55Л 3 790—810° С, М, О 580—600° С 47 86 15 25 199—255
Примечание. В таблице приняты обозначения; Н — нор*
мализация; 3 — закалка; О — отпуск В - - охлаждение в воде; М —
охлаждение в маеле.
Глубина обезуглероженного слоя на необрабатываемых поверхностях отливок должна быть не более 0,3—0,5 мм.
Отливки из конструкционной легированной стали изготовляют из стали марок 20ГЛ, 27ГЛ, ЗОГСЛ, 20ГСФЛ, 45ФЛ, 32Х06Л, 40ХЛ, 35ХМЛ, ЗОХНМЛ, 35ХГСЛ, 35НГМЛ, 20ДХЛ, 20ХГСНДМЛ, 08ГДНФЛ, 13ХНДФТЛ, 12ДН2ФЛ, 12ДХН1МФЛ, 25ХГ2ФЛ.
Цифры и буцвы в наименованиях марок означают: двузначные числа — среднее содержание углерода в сотых долях процента; С —
Инструментальные стали
143
кремний; Г — марганец; X — хром; Н — никель; Д — медь; М — молибден; В — вольфрам; Т — титан; Ф — ванадий; Л — литейная.
Химический состав отливок из рассматриваемых сталей приведен в табл. 37.
Механические свойства при различных режимах термической обработки представлены в табл. 38.
Отливки из высоколегированных сталей. В табл. 39 приводится перечень и применение высоколегированных сталей, чаще всего используемых для изготовления отливок с особыми свойствами.
Значительная часть отливок из высоколегированных сталей подвергается различным видам сложных режимов термической обработки, обеспечивающих получение требуемой структуры и свойств.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
По химическому составу инструментальные стали являются преимущественно легированными.
Большая часть инструментальных сталей имеет повышенное содержание углерода. По структуре различают заэвтектоидные, близкие к эви-тектоидным и ледебуритные стали. [Их используют после термической обработки (закалки и отпуска), в,результате которой инструментальные стали приобретают высокие твердость (до HRC 60—70 у ряда сталей), прочность (до 350—400 кгс/мм^ при изгибе) и износостойкость, а некоторые из них — и теплостойкость, т. е. способность сохранять эти свойства при нагреве рабочей кромки в процессе резания или деформирования.
Вязкость инструментальных сталей пониженная, до 5—8 (кгс-м/см2) на образцах без надреза для сталей с высокой твердостью (более HRC 55) и образцах с надрезом (при твердости HRC 40—55).
Большая часть инструментальных сталей — высококачественные; их выплавляют, как правило, в электрических печах (дуговых и индукционных) и отливают в слитки относительно небольших размеров массой 1—2'т, а высоколегированные быстрорежущие — 250—750 кг. Содержание серы и фосфора не превышает0,03% каждого в отдельности. Применяют и более совершенные способы производства — электро-шлаковым переплавом или спеканием порошков, распыленных из жидкого металла. Но из-за высокой стоимости эти процессы оправданы лишь для особо высоколегированных сталей (некоторых быстрорежущих, в том числе кобальтовых).
Часть углеродистых сталей — качественные (см. табл. 40).
Инструментальные стали применяют для изготовления как инструментов (режущих, штамповых и измерительных), так и для некоторых деталей машин, от которых требуются высокие твердость и износостойкость и которые применяют при небольших или умеренных динамических нагрузках (в частности, для шарико- и роликоподшипников).
Инструментальные стали целесообразно классифицировать по теплостойкости как свойству, определяющему их основные особенности (рис. 5), химический состав и область назначения. По этому признаку различают три группы стали: 1) нетеплостойкие; 2) полутеплостойкие
144
Черные металлы и сплавы
37. Химический состав
Сталь Q Мп Si Р S
Не С >олее
20 ГЛ 0,15—0,25 1,20—1,60 0,20—0,40 0,040 0,040
27ГЛ 0,22—0,32 1,10—1,50 0,20—0.40 0,050 0,050
ЗОГСЛ 0.25—0.35 1,10—1,40 0,60—0,80 0,040 0,040
20ГСФЛ 0.17—0.28 1,30—1,80 0,30—0,50 0,040 0.040
45ФЛ 0,42—0,50 0,40—0,90 0,20—0,40 0,040 0,040
32Х06Л 0,25—0,35 0,40—0,90 0,20—0,40 0,050 0,050
40ХЛ 0,35—0,45 0,40—0,90 0,20—0,40 0,040 0,040
31ХМЛ 0,30—0,40 0,40—0,90 0,20—0,40 0,040 0,040
30 X НМЛ 1 0,25 — 0,35 0,40—0,90 0,20—0,40 0,040 0,040
35ХГСЛ 0,30—0,40 1,00—1,30 0,60—0,80 0,040 0,040
35 X ГМ Л 0,32—0,42 0,80—1,20 0,20—0,40 0,040 0,040
20ДХЛ 0,15—0,25 0,50—0,80 0,20—0,40 0,040 0,040
20ХГСНДМЛ 0,18—0,24 0,90—1,30 0,90—1,20 0,050 0,045
08ГДНФЛ Не более 0.10 0,60—1,00 0,15—0,40 0,035 0,035
13ХНДФТЛ Не более 0,40—0,90 0,20—0,40 0,030 0,030
12ДН2ФЛ 0,08—0,16 0,40—0,90 0,20—0,40 0,035 0,035
12ДХН1МФЛ 0,10—0,15 0,30—0,55 0,20—0,40 0,030 0,030
25Х2Г2ФЛ 0,22—0,27 1,60—1,80 0,70—0,90 0,020 0,020
Инструментальные стали
145
легированных сталей
Сг Ni Мо V Си Т1
Не более 0,30 Не более 0,30 Не более 0,30 —
Не более 0,30 Не более 0,30 — — Не более 0,30 —
Не более 0,30 Не более 0,30 ** — Не более 0,30 —
Не более 0,30 Не более 0,30 0,07—0,15 Не более 0,30 —
Не более 0,30 Не более 0,30 *- 0,07—0,17 Не более 0,30 —
0,50—0,80 Не более 0,30 — — Не более 0,30 **
0,080—1,10 Не более 0,30 — Не более 0,30 —
0,80—1,0 Не более 0,30 0,20—0,30 — Не более 0,30 —
1,30—1,60 1,30—1,60 0,20—0,30 — Не более 0,30 —
0,60—0,50 Не более 0,30 — — Не более 0,30 *—
Не более 0,30 0,80—1,20 0,15—0,25 — Не более 0,30 «—
0,80—1,10 Не более 0,30 — — 1,40—1,60 —
0,60-0,90 1,10—1,50 0,10—0,15 — 0,40—0,60 0,03—0,07
Не более 0,30 1,15—1,50 — 0,01 (по расчету) 0,80—1,20
0,15 — 0,40 1,20—1,60 — 0,06—12 0,65—0,90 0,04—0,10
Не более 0,30 1,80—2,20 — 0,08—0,85 1,20—1,50
1,20—1,70 1,40—1,80 0,20—0,30 0,08—0,15 0,40—0,65
1,80 — 2,20 Не более 0,30 — 0,15—0,20 Не более 0,30 —4
146
Черные металлы и сплавы
88. Рекомендуемые режимы термической обработки и свойства литых легированных сталей
Механические свойства
Рекомендуемый S 2
Сталь режим термической . S S S
обработки \ \ НВ
«о -9- о а
не менее
20ГСФЛ Н 930—970° С, 30 52 20 30 5,0 143—187
О 600—650° С
20ГЛ Н 880—900° С, 30 55 18 25 5,0 143—187
О 600—650° С
08ГДНФЛ Н 930—970° С, 35 45 18 30 5,0 126—178
Н 920—950° С,
О 590—650° С
ЗОГСЛ Н 870-890° С, 35 60 14 25 3,0 163—229
О 570—600° С
35ХГСЛ Н 870—890° С, 35 60 14 25 3,0 163—240
О 570—600° С
13ХНДФГЛ Н 950—970° С, 40 50 18 30 5.0 143 — 187
Н 900—920° С,
О 530—560° С
20ДХЛ Н 880—890° С, 40 50 12 30 3,0 143—187
О 560—600° С
35ХМЛ Н 860—880° С, 40 60 12 20 3,0 163—225
О 600—650 С
45ФЛ Н 880-900° С, 40 65 12 20 3,0 170—229
О 600—650® С
12ДН2ФЛ Н 910—930® С, 55 65 12 20 3,0 170—229
О 530-580° С
30 X НМЛ Н 860—880° С, 55 70 12 20 3,0 206-255
О 600—650° С
12ДХН1МФЛ Н 940—960® С, 65 80 12 20 3,5 217—269
Н 890—910° С,
О 520-630° С
ЗОГСЛ 3 870—880® С, 40 65 14 30 5,0 179—229
М. О 570—600* С
М, О 570—600° С
27ГЛ 3 860—870° С, 45 65 10 20 5,0 179—229
М, О 560-600° С
30X06Л 3 890—910° С, 45 65 10 20 5,0 170—229
М, О 620—660° С
40ХЛ 3 850—860° ,С, 50 65 12 25 4,0 196—229
М, О 600-650° С
20ХГСНДМЛ 3 910—980° С, 50 65 12 20 4,0 207—269
В, О 640—660° С
20ДХЛ 3 880—890° С, 55 65 12 30 4,0 187—240
М, О 560—600® С
35ХМЛ 3 860—870° С, 55 70 12 25 4,0 206 — 255
М, О 600-650° С
35 Н ГМ Л 3 860—870° С, 60 75 12 25 4,0 217—262
М, О 600—650° С
35ХГСЛ 3 870—880° С, 60 80 10 20 4,0 217—269
М, О 630—670° С
ЗОХНМЛ 3 860—870° С, 65 80 10 20 4,0 217—269
М, О 600—650° С
12ДНХ1МФЛ 3 890—910° С, 80 100 10 20 3,0 285—321
М, О 520—630® С
25Х2Г2ФЛ 3 910—930° С, 120 140 5 25 4,0 402—474
М, О 280—300® С
Примечание. Обозначения — см. табл. 36
Инструментальные стали
147
89. Высоколегированные стали длят отливок
Класс Стали Основное назначение
Мартенсит- 20Х13Л, 5Х14НДЛ, Отливки, работающие в мало-
ный 10Х16НЧБЛ, 10Х17НЗЛ, и др. агрессивных средах, при умеренных ударных и статических нагрузках (корпусы нефтяных насосов, турбинные лопатки, гребные винты, клапаны гидравлических прессов, детали повышенной прочности для авиационной, химической и других отраслей промышленности)
Мартенсито-ферритный 10Х13Л Коррозионностойкие отливки, работающие в пресной воде, атмосферных условиях при одновременных ударных нагрузках
Ферритный 15Х25ТЛ, 75Х28Л, 185Х34Л Кислото- и жаростойкие отливки для химического машиностроения не подвергающиеся большим механическим нагрузкам
Аустенитный 110Г13Л, 10Х18Н9ТЛ, 10Х18Н9Л, 5Х18Н9Л, 15Х25Н19СЛ, 45Х17Г13Н310Л, 55Х18Г14СТЛ и др. 15Х18Н22В6М2Л, 5Х17Н34В5Т3102Л, 20Х21Н46В8Л Из стали 110Г13Л — отливки, износостойкие в условиях ударных и высоких статических нагрузок (сердечники стрелочных переводов и крестовин железнодорожных путей, детали экскаваторов дробилок, траки и др.) Из других сталей — отливки с высокой коррозионной стойкостью для различной арматуры химической промышленности, коллекторов выхлопных систем, печной арматуры, работающей в среде агрессивных газов, и т. д. Жаропрочные (до 800—900® С), отливки для газовых турбин, турбокомпрессоров установок нефтехимической промышленности, газопроводов и др.
Аустенитно- 5Х14Н7МЛ, Коррозионностойкие (кисло-
мартенситный 10Х18Н4Г4Л тостойкие) отливки, работающие в условиях нормальных и низких температур
Аустенитно- 10Х25Н5ТМФЛ, Кислотостойкие и жаростойкие
ферритный 25Х23Н7СЛ, 30Х24Н12СЛ (до 600—1000® С) отливки для химического машиностроения, оборудования нефтеперегонных заводов, лопатки компрессоров и другие детали, работающие в условиях высоких температур и давления
148
Черные металлы и сплавы
Рис. б. Зависимость твердости инструментальных сталей от температуры отпуска:
У12 — сталь углеродистая нетеплостойкая; Х12Ф1 — сталь высокохромистая по-лутеплостойкая; Р18—сталь быстрорежущая теплостойкая
и 3) теплостойкие. Внутри каждой группы инструментальные стали дополнительно различают по механическим свойствам: стали высокой твердости и стали повышенной вязкости..
Нетеплостойкие стали высокой твердости
Марки, свойства и применение
Химический состав сталей приведен в табл. 40. Они имеют повышенное содержание углерода (более 0,7%) и приобретают высокую твердость HRC 62—65 (а у некоторых до HRC 67—68) после закалки. Структура в закаленном состоянии — мартенсит, остаточный аустенит и вторичный цементит.
Отпуск повышает прочность и вязкость (рис. 6), снимая часть закалочных напряжений. Но для сохранения высокой твердости его выполняют, как правило, при температурах не больше 180—200° С. В структуре сохраняется более мягкая составляющая — остаточный аустенит, полученный при закалке, что не позволяет получить очень высокое сопротивление пластической деформации. Предел текучести при сжатии: от 190 до 160 кгс/мм2 соответственно при твердости HRC 63—64 и HRC 59—60.
Углеродистые стали указаны по ГОСТ 1435—74, легированные —• по ГОСТ 5950—73, а сталь 6ХЗФС — по техническим условиям.
Углеродистые стали с буквой А в конце марки — высококачественные, без этой буквы — качественные. В углеродистых сталях: а) в листе и ленте толщиной до 2,5 мм и в шлифованной стали (серебрянке) содержание хрома 0,20—0,40% (качественные) и 0,20—0,35% (высококачественные); б) допускается содержание никеля не более 0,25% в качественных и не более 0,20% в высококачественных сталях.
Цементитный карбид, выделяющийся при отпуске, начинает коагулировать при относительно низком нагреве (200—250° С), что приводит к снижению твердости стали уже при нагреве до этих температур.
Инструментальные стали
149
40« Химический состав (%) нетеплостойких, инструментальных сталей
Марка С Мп Si Ci W Мо V
Ст С али высокой твердости <тали небольшой прокаливав мости
У10 0,95— 1.04 0,15— 0,35 0,IS-О. 35 До 0,20 —’ —
У10А 0,95— 1,04 0,15— 0,30 0, IS-О. 35 До 0,15 — — —
У11 1,05— 1,14 0, IS-О.35 0,15— 0,35 До 0,20 — — —
УНА 1,05— 1,14 1,15— 1,24 0,15— 0,30 0, IS- О. 35 » 0,15 — — —
У12 0,15— 0,35 0,15— 0,35 » 0,20 — — —
У12А 1.15— 1.24 0,15— 0,30 0,15— 0,35 » 0,15 — — —
У13 1,25— 1,35 0,15— 0,35 0, IS-О. 35 > 0,20 — — —
У13А 1,25— 1,35 0,15— 0,30 0,15— 0,35 » 0,15 *— — —
В2Ф 1,05— 1,22 0,20— 0,50 0,15— 0,35 0,20— 0,40 1,60— 2,00 — 0,20— 0,28
ХВ4 1,25— 1,45 0,15— 0,40 0,15— 0,35 0,40— 0,70 3,50— 4,30 — 0,15— 0,30
8ХФ 0,70— 0,80 0,15— 0,40 0.15— 0,35 0,40— 0,70 — — 0,15— 0,30
9ХФ 0,80— 0,90 0,30— 0,60 0, IS-О.35 0,40— 0,70 — — 0,15— 0,30
11ХФ 1,05— 1,15 0,40— 0,70 0, IS-О. 35 0,40— 0,70 — — 0,15— 0,30
13Х 1,25— 1,40 С 0.30— 0,60 тали noet 0, IS-О. 35 яшенной 1 0,40— 0.70 прокаливав емости
X 0,95— 1,10 0,15— 0,40 0,15— 0.35 1,30— 1,65 — — —
12X1 1,15— 1,25 0,30— 0,60 0,15— 0,35 1,30— 1,65 — — —
XBCF 0,95— 1,05 0,60— 0,90 0,65— 1,0 0,60— 1,10 0,50— 0,80 —* 0,05— 0,15
9ХС 0,85— 0,95 0,30— 0,60 Сталь ее 1,20— 1,60 осокой пр> 0,95— 1,25 экаливаем ости
I 0,68— I 1,80— I 0,20— I 1,50— I 0,50— | 0,50— I 0,Io-
7ХГ2ВМ | 1 0,76 | Ста 2,30 1 ЛИ П О Е . 0,40 1 > ы ш е н 1 Ь80 | ной в я 0,90 | 3 К О с т 0,80 J и О. 25
У7 0,65— 0,74 0,20— 0,40 0,15— 0,35 До 0,20 — —
У7А 0,65— 0,74 0, IS-О. 35 0,15— 0,35 > 0,15 — «ч —
7ХФ 0,63— 0,73 0,30— 0,60 0, IS-О.35 0,40— 0,70 — — о,is-о. 30
6ХС 0,60— 0,70 0,15— 0,40 0,60— 1,00 1,00— 1,30 — —
6ХЗФС 0,56— 0,15— 0,40— 2.60— 0,20— 0,20—
(ЭП670) 0,62 0,40 0,70 3,30 0,30 0.40
7X3 0,65— 0,75 0,IS-О.40 0.15— 0,35 3,20— 3,80 — — —
150
Черные металлы и сплавы
Твердость цементита HV 1050; это лишь немного превышает твердость металлической основы. Эти стали относятся к группе умеренной износостойкости. Стали этой группы пригодны для резания с небольшой скоростью и для деформирования сравнительно мягких материалов.
Преимущества нетеплостойких сталей:
более однородная структура с мелкими и равномерно распределенными карбидами, чем у быстрорежущих и полутеплостойких высоко-хромистых сталей, что делает их пригодными для некоторых крупных
Рис. 6. Зависимость твердости (а), прочности и ударной вязкости (б) нетеплостойких углеродистых и легированных сталей высокой твердости от температуры одночасового отпуска (закалка на мелкое зерно)
инструментов; это преимущество значительное в крупном сечении; при увеличении диаметра проката с 15 до 75 мм прочность нетеплостойкой стали 7ХГ2ВМ снижается с 240—260 до 200—220 кгс/мм2, а теплостойкой быстрорежущей стали Р18 — с 320—340 до 180—200 кгс/мм2;
они лучше обрабатываются после отжига резанием и давлением в холодном состоянии, что облегчает получение тонкого листа (проволоки) и нанесение рабочей фигуры штампа мастер-пуансоном; они также обрабатываются резанием при твердости до HRC 55—58 (после закалки и отпуска);
они пригодны для закалки с индукционным нагревом (в отличие от полутеплостойких и нетеплостойких сталей).
Однако применение нетеплостойких сталей для режущих инструментов и для штампов из-за недостаточной устойчивости против нагрева и изнашивания постепенно сокращается вследствие увеличения доли полутеплостойких и теплостойких сталей.
Инструментальные стали
151
Рис. 7. Зависимость прочности сталей высокой твердости (углеродистых У7, У8, У11 и низколегированной 11XФ) от температуры закалки (отпуск 160* С)
Нетеплостойкие стали разных марок отличаются главным образом прокаливаемостью и закаливаемостью.
Стали небольшой прокаливаемости. К ним относятся стали углеродистые, низколегированные и легированные вольфрамовые с высоким содержанием углерода.
Углеродистые стали. Основная особенность — пониженные прока-ливаемость и закаливаемость. Для получения высокой твердости необходимо резкое охлаждение при закалке в водных растворах, что усиливает деформацию и чувствительность к образованию трещин.
Более рационально использование их для инструментов диаметром 10—30 мм. Эти стали приобретают при закалке высокую твердость лишь в поверхностном слое, сохраняя незакаленной вязкую сердцевину. Это делает углеродистые стали пригодными для инструментов, работающих на износ с динамическими нагрузками: ручных метчиков (стали У11А, У12А), штампов простой формы для высадки, а также вытяжки мягких металлов и некоторых чеканочных штампов (стали У10 и У10А).
В сечениях более 30 мм твердый закаленный слой излишне тонок и может сминаться под действием нагрузок в эксплуатации.
В инструментах небольших сечений, особенно толщиной (диаметром) менее 2—3 мм, и в инструментах стойкой рабочей кромкой углеродистые стали не получают равномерной высокой твердости.
Низколегированные стали. Путем легирования небольшим количеством хрома (и марганца) стали подобно углеродистым сохраняют хорошую обрабатываемость давлением и резанием после отжига, но приобретают лучшую закаливаемость и прокаливаемость. Они наиболее пригодны для индукционной закалки, так как получают равномерную и высокую твердость при охлаждении водой (вместо водных растворов солей и щелочей). При дополнительном легировании ванадием уменьшается чувствительность к перегреву при закалке, сохраняются более мелкое зерно и повышенная прочность (рис. 7).
Стали используют для инструментов небольших сечений: пил по дереву (стали 8ХФ, 9ХФ), метчиков, ручных напильников, штампов высадки, вытяжки диаметром до 40 мм (стали 11ХФ, 13Х) и для бритв (сталь 13Х).
Вольфрамовые стали с повышенным содержанием углерода. Твердость после закалки до HRC 67. Их используют для пил по металлу (сталь В2Ф), граверных инструментов, реже для резания отбеленного чугуна.
!52
Черные металлы и сплавы
Стали повышенной прокаливаемости. Они получают высокую твердость в инструментах диаметром до 40—50 мм (стали 12X1, X), 60— 70 мм (сталь 9ХС) и до 90—95 мм (сталь ХВСГ) при закалке с охлаждением в масле и несколько меньше при охлаждении в горячих средах (с температурами 150—200Q С). Это позволяет значительно уменьшить деформацию инструментов. Устойчивость стали против нагрева пока-вана на рис. 8.
Стали используют для круглых плашек, разверток, зенкеров, штампов и форм прессования полимеров (сталь ХВСГ), измерительных ин-
Рис. 8. Зависимость твердости нетеплостойких сталей от температуры отпуска (закалка на мелкое зерно)
струментов (сталь X) и плоскопараллельных концевых мер повышенной износостойкости (сталь 12X1), реже (из-за чувствительности к обезуглероживанию) для круглых плашек применяют сталь 9ХС.
Стали высокой прокаливаемости. Стали отличаются высокой прока-ливаемостью и закаливаемостью. Они получают твердость HRC 59—60 в сечениях до 100—110 мм при охлаждении как в масле, так и в горячих средах и на воздухе. Из-за повышенного содержания марганца стали сохраняют до 15—17% аустенита и получают минимальные объемные изменения при закалке.
Стали 7ХГ2ВМ и 7ХГНМ используют для крупных и сложной формы штампов вырубки, форм прессования полимеров. Из-за минимальной деформации шлифование можно применять незначительное.
Термическая обработка
Отжиг. Температуры отжига и твердость после отжига (в состоянии поставки) приведены в табл. 41. Для более производительного холодного деформирования (волочения, насечки, вырубки) твердость может быть понижена на НВ 10—20 замедлением скорости охлаждения до 20° С/ч в интервале от температуры нагрева до температуры изотермической выдержки.
Инструментальные стали
153
41. Температуры отжига нетеплостойких сталей высокой твердости
Температура,- 0 С
Сталь Нагрев Изотермическая выдержка Твердость НВ
У10, У10А У11А—У13А, У11 — У13, В2Ф 8ХФ, 9ХФ 11ХФ ХВ4 X, 9ХС, ХВСГ 12X1 7ХГ2ВМ * Высокий отпуск с вь 740—750 750—780 750—790 730—750 * 770—800 790—820 780—800 держкой не ме 600—650 620—660 670—700 670—720 670—720 650—670 нее 3 ч. 166—192 166—192 170—196 228—269 187 — 241 196-235 228—248
Обезуглероженный слой согласно ГОСТ 5950—73 не должен превышать на сторону для стали размером:
от 4 до 8 мм 0,35 мм
» 8 » 15 » 0,4 »
» 15 » 30 » 0,5 »
» 30 » 50 » 0,7 х>
> 50 » 70 » 1,0 >
> 70 » 100 > 1,3 »
Предварительную термическую обработку применяют для умень’ шения деформации (в 1,5—2 раза ) при последующей закалке; она заключается в предварительной закалке из межкритической области: Аг + 30 — 40° С (750—760° С для сталей X, ХВГ и 740—750° С для стали У12) с охлаждением в масле и отпуске 600° С (1 ч). Твердость сталей -HRC 30—32. Достигаемое уменьшение деформации показано на рис. 9.
Закалка. Режимы закалки приведены в табл. 42. При нагреве до указанных в ней температур сталь сохраняет мелкое зерно (балла 9—10) и более высокую прочность. Структура после охлаждения — скрытокристаллический мартенсит, вторичный цементит и остаточный аустенит (8—10%).
Для предупреждения обезуглероживания и окисления нагрев выполняют в расплавленных солях: ВаС12 (70—72%) и NaCl (28—30%). Ванны периодически раскисляют бурой (2—3% по массе).
Выдержка на каждый миллиметр диаметра: 20—35 с при нагреве в соли и 50—80 с при нагреве в печи. Ее увеличивают на 20—25% для мелких инструментов.
Стали небольшой прокаливаемости охлаждают в водном растворе NaCl (10%).
Стали повышенной и высокой прокаливаемости охлаждают в: а) масле (20—50° С) или б) расплавленной соли (55% NaNO3 и 45% NaNOrj), а затем на воздухе, выдержка в соли равна 30—50% от выдержки, принятой для окончательного нагрева.
154
Черные металлы и сплавы
Рис. 9. Влияние предварительной термической обработки на изменение длины образцов (L=100 мм и D = 50 мм) из стали У8:
1 — закалка от 810е С в воде (без предварительной* обработки); 2 — закалка из межкритической области (760* С); 3 — то же и отпуск 600е С, 1 ч; 4—закалка от 810° С в воде (с предварительной термической обработкой)
Обработку холодом (охлаждение до —65н—70° С) применяют для плоскопараллельных концевых мер с целью более полного превращения остаточного аустенита и повышения стабильности размеров в эксплуатации. Охлаждение выполняют не позже чем через 30 мин после закалки.
Отпуск. Режим отпуска:
150—160QC —60 мин (ЯЯС61 — 63) для большинства режущих инструментов и штампов, калибров и пробок;
42. Режимы закалки нетеплостойких сталей высокой твердости
Сталь Температура закалки (°C) при охлаждении в Твердость HRC при охлаждении в
водных растворах масле или горячих средах водных растворах масле или горячих средах
У10—У12 770—790 790—810 63—65 61 — 62
(У10А—У12А) То же 800—820 1 62—64
У13—У13А 770—790 790—810 63—65 62—64
8ХФ-9ХФ 820—840 61—63
11ХФ, 13Х 800—820 810 — 830 62—65 62—64
В2Ф 810 — 830 64-65 —
ХВ4 820—840 65—67 —
X 810—820 840—850 63-65 62—64
9ХС —— 865—875 — 62—63
ХВСГ 2 — 855-870 — 63-64
12X1 810—820 850 — 860 64 — 66 63—65
7ХГ2ВМ 3 — 850-870 — 59—62
1 Для инструментов диаметром >25 мм. 2 Инструменты диаметром <15 мм можно охлаждать на воз-
духе (НRC 60 — 62). 3 Можно охлаждать на воздухе (НRC 56- -60).
Инструментальные стали
155
180—200® С — 50—60 мин (HRC 60—61) для режущих инструментов небольших сечений;
120—130° С 12—24 ч (HRC 63—64) для плоскопараллельных концевых мер.
После шлифования выполняют отпуск (30—45 мин) при температурах на 10—15® С ниже указанных ранее.
Нетеплостойкие стали повышенной вязкости
Марки, свойства и применение
Химический состав сталей приведен в табл. 40. Стали близки к эвтектоидным; исходная структура — перлит, а у углеродистых сталей — перлит с небольшим количеством феррита. После непрерывной закалки они имеют мартенситную структуру и твердость HRC 56—60 (см. табл. 45). Инструменты подвергают отпуску при 250—350® С. Твердость в зависимости от состава стали HRC 45—58, а вязкость 3—6 кгсХ X м/см2 (образцы без надреза).
Стали применяют для инструментов, воспринимающих динамические нагрузки: штампов чеканочных и некоторых высадочных (стали 6ХЗФС, 6ХС, реже 6ХВ2С и 7X3), а также многих деревообрабатывающих инструментов: стамесок, пил (сталь 7ХФ), топоров (У7), фрез (6ХС), буровых шарошек (7ХНФ).
Стали различаются по прокаливаемости и вязкости.
Стали небольшой прокаливаемости. К ним относятся стали У7 и 7ХФ.
Изменение прокаливаемости стали У7 показано на рис. 10.
Для получения требуемой твердости сталь надо закаливать с охлаждением в водных растворах. Применение стали У7 ограничивается для инструментов простой формы и толщиной (диаметром) до 15—20 мм.
Стали повышенной прокаливаемости. Сталь 6ХЗФС сочетает повышенное сопротивление пластической деформации, вязкость и износостойкость при ударных нагрузках и высокие технологические свойства.
Сталь 6ХЗФС прокаливается в сечениях до 70—80 мм. Вязкость после закалки с охлаждением в масле и отпуска при 300—350Q С составляет 3—4 кгс‘м/см2 при твердости HRC 52—54. Вследствие влияния кремния и хрома сталь пригодна также для изотермической закалки и получает в этом случае повышенную вязкость и требуемую твердость в сечениях диаметром до 50—60 мм. После выдержки при 250® С (40 мин) и получаемой твердости HRC 52—54 ее вязкость 5—6 кгс*м/см2.
Количество остаточного аустенита в стали 6ХЗФС: 9—10% после непрерывной закалки и отпуска при 180° С и 22—25% после изотермической закалки. Этот аустенит из-за совместного влияния хрома и кремния устойчив при низких температурах (—50-ь60® С), что обеспечивает сохранение высокой вязкости.
Сталь 6ХЗФС имеет низкую твердость после отжига, что позволяет наносить сложную гравюру мастер-пуансоном.
Назначение сталей 6ХС, 6ХВ2С и 7X3 аналогично назначению стали 6ХЗФС, но вязкость их меньше из-за излишне высокого содержания кремния в сталях 6ХС и 6ХВ2С и углерода в стали 7X3.
(56
Черные металлы и сплавы
Расстояние от центра, мм
Рис. 10. Зависимость прокаливаемости нетепло-стойкой углеродистой стали повышенной вязкости (У7) от температуры закалки и диаметра образцов:
а - 0 = 12 мм; 6-0=20 мм; в - 0 = 27 мм
Сталь 7ХФН имеет повышенную вязкость 4 кгс-м/см* при твердости HR2 57—58 (непрерывная закалка и отпуск при 200° С) по сравнению с 2—2,5 кгс-м/см2 у стали 7ХФ. Она прокаливается в сечении до 30 мм.
Горячая механическая и термическая обработка
Твердость в состоянии поставки указана в табл. 43. Структура — перлит зернистый у легированных сталей; у сталей У7, 7ХФ и 7ХН — перлит с участками феррита.
Инструментальные стали
157
43. Температуры (°C) критических точек, отжига и смягчающего отпуска нетеплостойких сталей повышенной вязкости
Сталь Лг8 Отжиг Изотермическая выдержка при отжиге Твердость НВ Смягчающий отпуск
У7 720—730 740—745 730—750 600—650 170—196 650—670
7ХФ 730—740 735—745 740—750 600—650 197—229 660-680
6ХЗФС 790—910 820—840 680—700 170—196 680-700
6ХС, 7X3 770—790 820—840 670—700 197—229 670—680
7ХФН 710—720 7Б0—760 750—780 600—650 179—196 650—660
Ковка. Температуры начала ковки 1100—1125° С и окончания 750— 850° С для сталей У7 и 7ХФА и соответственно 1120—1150 и 800—900° С для остальных сталей.
Поковки сталей У7, 7ХФ охлаждают, складывая штабелями, а поковки остальных сталей — в футерованной яме или под слоем песка.
Отжиг выполняют при необходимости улучшения структуры слитка или крупных заготовок, мало обжатых при горячей деформации, и для получения твердости по нижнему пределу (см. табл. 43).
Для сталей 6ХЗФС, 7X3 в этом случае обеспечивается возможность нанесения гравюры холодной деформацией (мастер-пуансоном).
Для остальных сталей для упрощения обработки вместо отжига выполняют смягчающий отпуск.
Обезуглероживание не должно превышать норм, указанных для сталей высокой твердости (см. стр. 153).
Предварительную термическую обработку выполняют для уменьшения деформации при последующей закалке (см. рис. 6). Инструменты закаливают с 750—770° С с охлаждением в масле и подвергают отпуску при 600Q С (1 ч).
Закалка. Режимы закалки приведены в табл. 44. Охлаждение в горячих средах применяют для инструментов, работающих с повышенными динамическими нагрузками, но с меньшими давлениями.
44. Режимы закалки нетеплостойких сталей повышенной вязкости
Сталь Температура нагрева (°C) при охлаждении в Твердость HRC при охлаждении в
воде (и водных растворах) масле горячих средах 250—270° С воде (и водных растворах) масле горячих средах
У7 (У7А) 780—800 800—820 61 — 63 59—62
7ХФ 810—830 820—840 — 62—64 59—62 —
7ХНФ 830—840 — — 61 — 62 —
6ХС — 890—920 900—930 — 58—60 52—54
6ХВ2С м. 880—910 890—920 — 59—61 52 — 54
6ХЗФС 940—960 950—970 59—60 52-54
7X3 — 900—920 — 61 — 62 —
158
Черные металлы и сплавы
Отпуск применяют после непрерывной закалки. Температуры отпуска: для инструментов из сталей У7, 7Х, 7ХНФ — 290—350° С (HRC 45—50), для инструментов из сталей 6ХЗФС, 6ХС, 6ХВ2ФС и 7X3 — 150—180° С (HRC 57—59) для работы при повышенном изнашивании и меньших динамических нагрузках и 300—350° С (HRC — 50—54) для работы со значительными ударами.
Отпуск после изотермической закалки при 150—170° С (1 ч).
Полутеплостойкие стали высокой твердости
Марки, свойства и применение
Химический состав сталей приведен в табл. 45.
По основным свойствам различают стали двух групп.
Износостойкие стали содержат значительное количество — до 18— 24% (по объему) твердых карбидов М7С3 (HV 1500) и МС (HV 2000), что обеспечивает высокую износостойкость в условиях изнашивания как по металлу, так и по абразивным материалам при нагреве не выше 300—400° С.
Рис. 11. Зависимость относительного прироста длины образцов из стали Х12М (L = 100 мм и D = = 10 мм) от температуры закалки (отпуск 150° С)
Стали имеют повышенное содержание хрома, а некоторые и ванадия. Прокаливаемость высокая: в сечениях более 100—150 мм при 12% Сг и до 80—100 мм при 6% Сг.
Стали, указанные в табл. 45, закаливаются с охлаждением в масле, а стали с 12% Сг и в горячих средах (300—350° С, 30 мин). После закалки с нагревом до температур, сохраняющих мелкое зерно (балла 9—10), стали имеют 15—20% аустенита, что обеспечивает минимальные изменения (рис. 11) и деформацию.
После отпуска на высокую твердость (150—225° С) остаточный аустенит сохраняется в структуре, вследствие чего предел текучести (при
Инструментальные стали
159
45. Химический состав (%) полу теплостойких инструментальных сталей
Сталь С Мп Si Сг W Мо Остальные
Ci Стали Х6ВФ Х12Ф1 Х12М Х6ФЗМ (ЭП670) Х12 Х12ВМ Х12ФЗМ (ДИ51) Стали а повыи 6Х6ВЗМФС 6Х4М2ФС (ДИ55) Х18МФ 9X18 000X11Н10М2Т2 ♦ (ЭП853) Кроме того, А1 Ста 5ХНМ 5ХГМ 5ХНВ 5ХНВС 4ХМФС 27Х2НМВФ * Состав ста ГОСТ 5632—72 и 27Х2НМВФ — I г а л и повыил 1,05— 1,15 1,25— 1,45 1,45— 1,65 1,70— 1,80 2,00— 2,20 2,00— 2,20 1,85— 2,00 1енным 0,50— 0,60 0,57 — 0,65 Ста 1,17 — 1,25 0,90— 1,00 0,03 <0,1%; ли п 0,50— 0,60 0,50— 0,60 0,50— 0,60 0,50— 0,60 0,37— 0,45 0,25— 0,32 лей ук« а стале! то техн1 В Ы С О енной и 0,15— 0,40 0,15— 0,40 0,15— 0,40 0,15— 0,40 0,15— 0,40 0,15— 0,40 0,15— 0,40 сопроти 0,15— 0,40 0,20— 0,50 1Ли корр 0,20— 0,40 0,40— 0,70 0,15 ; В < 0, 0 в ы ш 0,50— 0,80 1,20— 1,60 0,so-о. 80 0,30-0,60 0,50— 0,80 0,50— 0,80 азан по 1 Х6Ф4? аческим кой т высокой 0,15— 0,35 0,15— 0,35 0,15— 0,35 0,30— 0,60 0,15— 0,35 0,20— 0,40 0,20— 0,40 едением 0,60— 0,90 0,60— 0,90 >озионно> 0,50— 0,90 0,50 — 0,90 0,15 002%; 2 е н н о 0,15— 0,35 0,25— 0,60 0,15— 0,35 0,60— 0,90 0,50— 0,80 0,17— 0,37 ГОСТ Л, Х12Ф услови вер д ! U3H0C01 5,50— 6,50 11,0— 12,5 11,0— 12,5 6,00— 6,50 11,5— 13,0 11,0— 12,5 12,0— 13,0 пласта 5,50— 6,50 3,80— 4,40 стойкие 17,5-19,0 17,0— 19,0 10,0— 11,3 :г < 0,01 й вяз 0,50— 0,80 0,60— 0,90 0,50— 0,80 1,30— 1,60 1,50— 1,80 2,00— 2,50 5950—1 >4М, X1J ям. ости ? то йкос i 1,10— 1,50 0,50— 0,80 i ческой 2,50— 3,20 П 1,70— 2.1 5%; Са . КОСТ W 0,40— 0,70 0,40— 0,70 0,40— 0,60 ГЗ, стал 1МФ, 001 ти 0,40— 0,60 0.60— 0,90 0,60-0,90 0,60— 0,80 деформа 0,60— 0,90 2,00— 2,40 0,50— 0,60 1,80— 2,30 < о,об% и 0,15— 0,30 0,15— 0,30 0,90— 1,20 0,40— 0,60 [и 9X18 0X11Н1 V 0,50— 0,80 0,70— 0,90 0,15— 0,30 3,50— 4,00 0,15— 0,30 3,2— 3,8 ции 0,50— 0,80 0,60— 0,80 0, Io-О.20 Ni 9,0— 10,3 । • Ni 1,40— 1,80 1,40— 1,80 0,80— 1,20 V 0,30— 0,50 0,20— 0,30 Ni 1,1 — 1,5 J — по 0M2T2
160
Черные металлы и сплавы
сжатии) не превышает 170—180 и 160—165 кгс/мм2 при твердости HRC 61—62 и 58—59 соответственно.
Стали Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ с карбидной фазой М7С3 (16—17% объемных в стали Х12М) имеют повышенную износостойкость (по сравнению с нетеплостойкими сталями ХВСГ и др.) и удовлетворительную шлифуемость. Назначаются для вырубных и вытяжных и реже штампов для выдавливания металлов небольшой твердости, а также электротехнических сталей.
Сталь Х12 имеет больше карбидов М7С3; ее износостойкость больше, но прочность ниже, чем у Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ.
Стали Х12ФЗМ, Х12ВМ, Х6Ф4М наиболее износостойкие. Они содержат также карбиды МС (4% объемных в стали Х12Ф4М и 7—8% в стали Х6Ф4М). Используются для работы по более твердым материалам, в том числе абразивным. Их технологический недостаток — плохая шлифуемость обычными абразивами. Эти стали надо шлифовать кругами алмазными или с карбидом бора; шероховатость поверхности в этом случае меньше 9—10-го класса.
Стали с повышенным сопротивлением пластической деформации. После закалки с повышенных температур (см. табл. 47) они получают значительную устойчивость против нагрева, что позволяет получать высокую твердость (HRC 58—62) после отпуска при 540—560° С и обеспечить превращение остаточного аустенита. Предел текучести при сжатии 200—210 и 220—230 кгс/мм2 соответственно при твердости ЯЯС58—59 и 60—62.
Стали используют для штампов холодной высадки, прессования и накатных инструментов.
Сталь 6Х4М2ФС получает после отпуска твердость HRC 61—62, а сталь 6Х6ВЗМФС — HRC 58—60.
Коррозионностойкие стали имеют высокую твердость. Они устойчивы в кипящей воде, водяном паре, влажном и сухом воздухе, холодных органических кислотах; их применяют прежде всего для медицинских инструментов и для ножей в пищевой промышленности.
К этой группе относятся стали:
а) с повышенным содержанием углерода и хрома (стали Х18МФ и 9X18). По твердости, прочности, износостойкости и по поведению при закалке они близки к стали Х12М. Стали получают твердость до HRC 60, применяются для ножей и хирургических скальпелей;
б) с низким содержанием углерода и с 12% Сг, дополнительно легированные никелем, молибденом, титаном. Это мартенситностареющая сталь 000X11Н10М8Т2. Она не содержит карбидов и упрочняется путем выделения при отпуске (старении) очень дисперсных интерметаллидных частиц. Твердость после закалки (совмещаемой часто с охлаждением после ковки) HRC 30—32. В этом состоянии сталь обрабатывают резанием, и инструменты получают окончательные размеры. В результате последующего старения (отпуска) твердость возрастает до HRC 56—58; возрастание твердости не сопровождается деформацией. Сталь используется преимущественно для медицинских инструментов в очень тонких сечениях: ленте, проволоке.
Горячая механическая и термическая обработка
Твердость в состоянии поставки не должна превышать НВ 241 для стали Х6ВФ и НВ 255 для остальных сталей (кроме стали 000Х11Н10М2Т2, поставляемой без нормирования твердости до закалки).
Инструментальные стали
161
Толщина обезуглероженного слоя не должна превышать на сторону 0,5 мм плюс 1% от диаметра (ГОСТ 5950—73).
Карбидная неоднородность не должна превышать норм, указанных в табл. 46.
46. Допускаемый карбидный балл полутеплостойких сталей высокой твердости (ГОСТ 5950—73>
Диаметр (толщина) прутка, мм Х6ВФ, 6ХВЗМФС, 6Х4М2ФС Х12, Х12ВМ, Х12М, Х12Ф1, Х6Ф4М
До 40 3 4
Свыше 40 до 60 4 5
> 60 » 80 5 6
> 80 » 100 6 7
Ковка. Для Х6ВФ, 6Х6ВЗМФС, 6Х4М2ФС температуры начала деформации 1100—1150° С и окончания 870—900° С, а для остальных — 900—950° С. Охлаждение замедленное в предварительно нагретой футерованной яме, а лучше в печи с температурой 650—700° С.
Отжиг: нагрев при 840—860° С, выдержка не менее 2 ч после прогрева, охлаждение со скоростью 30—40° С/ч до 700—720° С и выдержкой не менее 3 ч, затем замедленное охлаждение с печью до 600—650° С и окончательное — на воздухе
Закалка. Режимы закалки приведены в табл. 47.
47. Режимы закалки полутеплостойких сталей высокой твердости
Сталь Температуры нагрева, °C Охлаждение Твердость HRC
Х6ВФ 960—990 В масле 61-63
Х12Ф1 1020—1050 То же 61-63
Х12М, Х12ВМ 1000—1030 То же и в соли (340—360® С) 62-63
Х12ФЗМ 1060—1090 То же 62-63
Х6Ф4М 1000-1020 В масле 62—64
6Х6ВЗМФС 1070—1090 То же 58-61
6Х4М2ФС 1060—1080 > 60-62
000X11Н10М2Т2 1000—1010 В воде 30-34
Примечание. Выдержка при охлаждении в горячих средах 30—40 мин.
Отпуск. Температуры нагрева:
износостойких сталей— 150—170° С (Я/?С 60—61) для небольших штампов и пуансонов, 200—220° С (#/?С 50—60) для более крупных штампов и матриц и 220—250° С (HRC 57—58) для крупных штампов и матриц при работе с динамическими нагрузками;
6
162
Черные металлы и сплавы
сталей 6Х6ВЗМФС и 6Х4М2ФС — 530—540° С (Я/?С61—62) при отсутствии динамических нагрузок и 550—560° С (HRC 59—60) при повышенных нагрузках.
Отпуск повторяют 2—3 раза.
Сталь 000X11Н10М2Т2 подвергают отпуску при 460—480° С 6 ч на твердость HRC 56—58.
Полутеплостойкие стали повышенной вязкости
Марки, свойства и применение
Химический состав указан в табл. 45. Эти стали сочетают устойчивость против нагрева с разгаростойкостью (термической усталостью), т. е. устойчивостью против образования трещин, которые могут возникать в эксплуатации при многократном нагреве и охлаждении поверхностного слоя. Разгаростойкость возрастает с повышением вязкости и пластичности и снижением коэффициента теплового расширения.
Для получения большей вязкости:
а) содержание углерода должно быть более низкое (0,25—0,55%). Легирование хромом, вольфрамом и молибденом ограничивается относительно небольшими пределами, при которых обеспечивается лишь умеренное повышение стойкости против нагрева, и
б) стали подвергают отпуску на твердость HRC 35—40 (более крупные штампы) и 42—46 (менее крупные штампы).
Вязкость сталей 5—6 и 3—4 кгс*м/см2 соответственно при твердости HRC35—40 и 42—46. Она мало снижается с увеличением сечения.
Прокаливаемость и закаливаемость сталей высокая. Стали, менее легированные никелем, марганцем и хромом (5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНСВ), прокаливаются полностью в сечениях до 400—500 мм, а стали 27Х2НМВФ (30Х2НМФ) — в сечениях до 700—800 мм.
Эти стали предназначаются для: а) штампов горячего деформирования, работающих с динамическими нагрузками, и прежде всего для молотовых, подвергающихся интенсивному охлаждению, т. е. в условиях кратковременного контакта рабочего слоя с нагретым металлом, и б) крупных контейнеров прессования алюминиевых сплавов.
Стали используют для штампов со стороной до, мм: 200—300 (5ХНВ,4ХМФС), 300—400 (5ХНСВ, 5ХГМ), 500—600 (5ХНМ), а также еще более крупных (30Х2НМФ, 27Х2НМВФ).
Горячая механическая и термическая обработка
Отжиг. Температуры отжига и твердость отожженных сталей (в состоянии поставки) приведены в табл. 48.
Закалка. Температуры закалки °C:
для «талей 27Х2НМВФ, 30Х2НМФ
» » 5ХНСВ ..........
» > 5ХНВ, 5ХНМ, 5ХГМ
» 4ХМСФ
950—975 840 — 860 820—860
850 — 870
Для защиты от окисления и обезуглероживания штампы покрывают обмазкой, подогревают в печи (600—650° С) и после прогрева
Инструментальные стали
163
48. Критические точки, температуры отжига и твердость полутеплостойких сталей повышенной вязкости
Сталь Критическая точка, °C Температура отжига, °C Т вердость НВ
Act Ас3
5ХНМ, 5ХНВ 730 780 760-790 197-241
5ХГМ
5ХНСВ 760 800 790—820 207-255
27Х2НМВФ 800 830 800-830 207—255
медленно повышают температуру. Продолжительность нагрева и выдержки при температурах закалки — от 3 до 6 ч для штампов стороной от 300 до 700 мм (пламенная печь) и на 30—40% больше для электрической печи.
Штампы со стороной до 150 мм охлаждают в масле, а более крупные — подстуживают на воздухе до 750—780° С и очищают от изоляции, затем погружают в масло с температурой до 70° С, выдерживают от 40 мин до 2 ч, соответственно для штампов стороной от 300 до 700 мм, а затем, не допуская полного охлаждения, переносят в печь для отпуска.
Более крупные штампы охлаждают водовоздушной смесью.
Отпуск. Температуры отпуска и твердость приведены в табл. 49.
Стали 27Х2НМВФ, 30Х2НМФ подвергают отпуску при 540— 560° С (ЯЯС41—45).
49. Температуры отпуска и твердость полутеплостойких сталей повышенной вязкости
Наименьший размер, мм Температура, нагрева* (°C) сталей Твердость HRC
5ХНМ.5ХГМ, 5ХНВ 5ХНСВ 40ХМСФ
<300 500 — 540 500—540 520—560 40—46
<400 530—560 530—550 550—580 36—40
>400 560-580 550-570 — 35-38
* Небольшие штампы с плоской фигурой подвергают отпуску при 300-350° С (HRC 50-52).
Продолжительность нагрева и выдержка при отпуске — от 10 до 24 ч соответственно для штампов с наименьшей стороной от 300 до 700 мм.
164
Черные металлы и сплавы
Теплостойкие стали высокой твердости (быстрорежущие стали)
Марки, свойства и применение
Химический состав часто применяемых сталей приведен в табл. 50.
Для режущих инструментов применяют в основном эти стали. Они сочетают главное свойство сталей — теплостойкость * с высокими износостойкостью при нагреве до 600—700° С и сопротивлением пластической деформации (предел текучести при сжатии 220—230 и 240—
50. Химический состав (%) характерных теплостойких инструментальных сталей (быстрорежущих) * (по ГОСТ 19265 — 73)
Сталь С Сг W Мо V Со
Умеренной теплостойкости
Р18 0,7—0,8 3,8—4,4 17,0— 18,5 До 1,0 1,0—1,4 —
Р12 0,8—0,9 3,1—3,6 12,0— 13,0 1,0 1,5—1,9 —
Р9 0,85— 0,95 3,8—4,4 8,5— 10,0 > 1,0 2,0—2,6 —
Р6М5 0,80— 0,88 3,8—4,4 5,5—6,5 5,0—5,5 1,7—2,1 —
Р6МЗ 0,85— 0,95 3,0—3,5 5,5 —6,5 3,0—3,6 2,0—2,5 —
Р8МЗ (ЭП856) 0,8—0,9 Пов1 3,3—3,9 мшенной а 7,6—8,4 пеплостош 3,0—3,5 кости 1,6—1,9 —
Р6М5К5 0,82— 0,90 3,8—4,3 6,0—7,0 4,8—5,8 1,7—2,2 4,8—5,3j
Р9М4К8 1,0—1,1 3,0—3,6 8,5—9,6 3,8—4,3 2,1 —2,5 7,5—8,5
Р8МЗК6С (ЭП722) 1,05— 1,13 3,5—4,0 8,0—9,5 3,4—4,0 1,5-1,9 5,7—6,7
Р12Ф4К5 (ЭП600) 1,25— 1,35 3,5—4,0 12,5— 14 До 1,0 3,2—3,8 5,0—6,0
Р12Ф2К8МЗ (ЭП657) 0,95— 1,05 3,8—4,4 11 — 13,0 2,8—3,4 1,8—2,4 7,5—8,5
10Р8МЗ (ЭП716) 0,96— 1,06 3,3—3,9 7,5—8,5 3,0—3,8 1,7—2,1 —
Р12ФЗ (ЭП597) 0,94— 1,04 Bi 3,5—4,0 ысокой mei 12,5— 13,5 плостойш До 1,0 ?ти 2,5—3,0 —
В11М7К23 (ЭП831) 0,05— 0,15 До 0,5 10,5— 12,0 7,0—8,0 0,4—0,8 22,5— 24 0,1—0,2
Приме ч а н и е. Состав Р8МЗ, Р8МЗК6С, Р12Ф4К5, 10Р8МЗ,
Р12ФЗ и В11М7К23 t указан по техническим условиям.
Во всех сталях содержание дого в отдельности. кремния 1 и марганца < 0,4% каж-
• Теплостойкость характеризуется по температуре нагрева в течение 4 ч4 после которого сохраняется твердость HRC 60.
Инструментальные стала
165
250 кгс/мм2 соответственно при твердости HRC 63—64 и 67—68, так как после отпуска при повышенных температурах (550—600° С) стали не содержат в структуре остаточного аустенита, сохраняя при этом высокую твердость.
Прочность сталей сильно зависит от количества карбидов и сечения проката (поковок); в сечениях диаметром до 30—40 мм она составляет у многих сталей 300—400 кгс/мм2 и снижается с увеличением сечения (рис. 12).
Предел выносливости 0,2—0,ЗоИзг (для гладких образцов).
Вязкость 2—4, реже 5 кгс-м/см2 (что ниже, чем у полутеплостойких сталей высокой твердости).
Быстрорежущие стали, уступая твердым сплавам в теплостойкости и твердости, превосходят их в прочности и вязкости, а также в том, что их можно обрабатывать резанием и шлифованием.
Температуры закалки быстрорежущих сталей должны быть высокими для более полного растворения карбидов и получения лучшей теплостойкости. Они определяются содержанием вольфрама (рис. 13).
Различают стали умеренной, повышенной и высокой теплостойкости (см. табл. 50).
Стали умеренной теплостойкости
Максимальная твердость сталей HRC 63—65. Они сохраняют твердость HRC 60 после нагрева при 615—620° С (4 ч). Механические свойства при нагреве показаны на рис. 14.
Эти стали, более широко применяемые из числа быстрорежущих, и пригодны для резания металлов с твердостью до НВ 250—280.
166
Черные металлы и сплавы
У сталей этой группы различных марок близкие режущие свойства, различаются они преимущественно механическими и технологическими свойствами.
Рис. 14. Зависимость прочности быстрорежущих сталей Р18 и Р6М5 при нагреве от температуры испытаний (закалка на мелкое зерно и отпуск БвО* С, 3 раза)
Вольфрамомолибденовые стали. Вольфрам и молибден влияют на теплостойкость почти одинаково, если содержание молибдена не превышает 4—5%. При этом условии вместо вольфрама применяют молибден в соотношении Mo : W= = 1 : 1,44-1,5.
Размеры карбидных частиц этих сталей меньше (до 10—12 мкм), чем у вольфрамовых, вследствие чего они имеют большие прочность и вязкость. Режущие свойства вольфрамомолибденовых сталей немного выше, чем вольфрамовых, при обдирочных режимах резания и ниже при чистовых.
Сталь Р6М5 — наиболее широко применяемая для большинства инструментов (сверл, метчиков, долбяков, протяжек и других инструментов). Прочность 315— 325 кгс/мм2 и вязкость 4— 5 кгс*м/см2 (для проката диаметром 25 мм). Теплостойкость немного ниже (в указанных пределах), чем вольфрамовых и Р8МЗ. Шлифуемость стали хорошая. Недостатки: а) повышенное обезуглероживание при нагреве выше 1000° С; ванны нагрева для закалки надо тщательно раскислять MgFa и б) чувствитель
ность отдельных плавок к перегреву и росту зерна при нагреве для закалки, что затрудняет установление одинаковых температур закалки для инструментов разных плавок. л
Сталь Р8МЗ имеет то же назначение, что и сталь Р6М5. Как содержащая больше вольфрама и меньше молибдена превосходит сталь Р6М5 в стабильности свойств при нагреве для закалки и менее чувствительна к обезуглероживанию. Она ,еще не получила широкого применения.
Сталь Р6МЗ имеет хорошую горячую пластичность (ковкость) из-за меньшего содержания хрома. Но она хуже шлифуется из-за влияния повышенного содержания ванадия. Применение стали Р6МЗ поэтому ограниченное: для некоторых сверл, изготовляемых прокаткой.
Вольфрамовые стали. Эти стали, содержащие более 12—13% W, применяют в настоящее время реже из-за того, что они имеют более крупные карбиды (до ЙО—30 мкм), пониженные прочность и вязкость, а также из-за дефицитности вольфрама.
Сталь Р18 имеет хорошие устойчивость против перегрева и шлифуемость. Используется преимущественно для шлифуемых инструментов (метчиков) и сверл небольшого диаметра (до 10 мм).
Сталь Р9 имеет более низкие температуры закалки, ее используют преимущественно в холоднокатаном листе для инструментов (пилы,
Инструментальные стали
167
ножовки), закаливаемых с индукционного нагрева. Шлифуемость пониженная.
Сталь Р12 имеет более мелкие карбиды (до 15—20 мкм) и превосходит сталь Р18 в механических свойствах. Прочность 300—310 и 280— 300 кгс/мм2 и вязкость 3,5 и 2,5—3 кгс-м/см2 соответственно для сталей Р12 и Р18 (в прокате диаметром 20—25 мм). Применяют для сверл, фрез, протяжек.
Стали повышенной теплостойкости
Их твердость более высокая HRC 65—69 (в зависимости от состава), они сохраняют твердость HRC 60 после нагрева на 630—650° С. Применение сталей увеличивается. Их используют для резания труднообрабатываемых материалов: жаропрочных, нержавеющих сталей и сплавов, конструкционных сталей с твердостью HRC 40—45 и др., а также более мягких материалов, но с повышенной скоростью резания.
Кобальтовые стали. Сочетают повышенные теплостойкость и твердость с более высокой (на 30—50%), чем у остальных сталей теплопроводностью.
Прочность и вязкость более низкие (на 20—30%), чем у сталей умеренной теплостойкости. Производство ряда этих сталей способом спекания порошков, получаемых распылением жидкого металла, улучшает механические и технологические свойства и повышает стойкость инструментов при резании с повышенными нагрузками.
Использование сталей целесообразно преимущественно для обработки аустенитных сплавов. У сталей с 8% Со скорость резания возрастает на 10—12% при точении жаропрочных сталей и лишь на 5—6% при точении конструкционной стали с твердостью НВ 217—223.
Различают стали по содержанию углерода.
Сталь Р6М5К5 имеет пониженное содержание углерода (см. табл. 50) и меньшие теплостойкость (до 630—635° С) и вторичную твердость (Я/?С65), но большую прочность. Применяют преимущественно для резания с обдирочными режимами более мягких сталей, а также для сверления глубоких отверстий малых диаметров.
Стали с большим содержанием углерода Р8МЗК6С, Р9М4К8, Р12Ф4К5, Р12Ф2К8МЗ (см. табл. 50) имеют более высокие теплостойкость (до 645° С) и твердость (HRC 67—69), их используют для резания большинства труднообрабатываемых материалов. Режущие свойства их примерно одинаковые как при 5—6, так и 8% Со.
Вольфрамованадиевые стали. Стали — менее дорогие, чем кобальтовые. Теплостойкость Р12ФЗ — 635°С и твердость ~ HRC 66, что ниже, чем у кобальтовых. Однако у этих сталей более высокие прочность и вязкость.
Использование их эффективно для протяжек, сверл, фрез, обрабатывающих конструкционные стали и чугуны с твердостью НВ 223— 302. Стойкость их в 1,5—1,8 раз выше, чем у стали Р6М5.
Сталь с повышенным содержанием углерода 10Р8МЗ (см. табл. 50), теплостойкость 625—630° С. Стойкость инструментов из этой стали на 50—60% выше, чем стали Р6М5 при резании конструкционных сталей и чугунов умеренной твердости.
168
Черные металлы и сплавы
Стали высокой теплостойкости
Твердость до HRC 68—69 и теплостойкость 700—720° С. Прочность ~250 кгс/мм2. Стали высоколегированные в отличие от остальных быстрорежущих, упрочняются вследствие выделения интерметалли-дов, а не карбидов, они содержат поэтому мало углерода (см. табл. 50).
Стойкость (по сравнению со сталью Р6М5) возрастает в 20—40 раз при резании титановых сплавов и в 8—10 раз при резании аустенитных сплавов.
Горячая механическая и термическая обработка
Твердость в состоянии поставки не должна превышать согласно ГОСТ 19265—73 для сталей умеренной теплостойкости НВ 255, сталей Р6М5К5, Р12ФЗ, 10Р8МЗ—НВ 269.
Структура — перлит сорбитообразный и карбиды.
Предельный балл карбидной неоднородности (ГОСТ 19265—73) должен быть не выше:
Диаметр (сторона) проката (поковки), мм Балл
До 20 ... . 2
Свыше 20 до 40 3
» 40 » 60 4
» 60 » 80 5
» 80 » 100 6
» 100 » 150 7
Толщина обезуглероженного слоя не должна превышать на сторону 0,5 мм плюс 1% от диаметра (стороны).
Ковка. Температуры нагрева до 1140—1180° С и окончания 900— 850° С (верхний предел для кобальтовых сталей). Посадка в печь — при температуре не выше 600° С; затем медленный нагрев до 850° С и ускоренный до 1140—1180° С. Охлаждение после ковки замедленное, лучше помещать неостывшие заготовки в печь с температурой 600° С и затем нагревать для отжига.
Толщина обезуглероженного слоя не должна превышать норм, указанных ранее.
Отжиг быстрорежущих сталей. Температуры отжига: 840—860° С для вольфрамовых и 800—830° С для вольфрамомолибденовых сталей.
Выдержка определяется величиной садки, но не менее 3—5 ч. Скорость охлаждения 30—40° С/ч до 720—750° С; при этой температуре выдержка не меньше 4 ч и затем охлаждение до 600—650° С со скоростью 40—50° С/ч, а потом на воздухе. Твердость после отжига НВ 228—255 у вольфрамовых сталей, 207—235 у вольфрамомолибденовых и несколько выше — до НВ 289 — если стали дополнительно легированы кобальтом.
Сталь В11М7К23 нагревают до 1000—1025° С с выдержкой не менее 2 ч, охлаждают с печью до 880—890° С и после 6—10 ч выдержки охлаждают на воздухе или с печью. Твердость HRC 32—35.
Карбидный отпуск — операция, применяемая для улучшения обрабатываемости при холодной деформации; приводит к снижению предела текучести на 15—20% и повышению пластичности. Заготовки нагревают до 720—750° С и охлаждают в масле. Эффект обработки больше для вольфрамовых и кобальтовых сталей.
Инструментальные стали
169
Предварительные закалку и отпуск применяют для уменьшения: а) шероховатости поверхности на 1—2 класса при чистовой обработке резанием и б) деформации при последующей окончательной закалке.
Заготовки или инструменты закаливают с 940—960° С с охлаждением в масле и отпускают при 590°—620 С в течение 1 ч (HRC 32—35).
Закалка. Температуры закалки приведены в табл. 51 и 52.
51. Температуры закалки быстрорежущих сталей умеренной теплостойкости
Инструменты Температура нагрева сталей, °C Балл зерна Т вердость HRC после отпуска при 560°С и нагрева при 620°С (4 ч)
Р6М5, Р6МЗ Р8МЗ Р18 Р12
Крупные сверла и резцы Остальные режущие инструменты . • • Штампы (прессования) 1220— 1240 1210— 1230 1180— 1200 1230— 1245 1215— 1235 1180— 1200 1280 — 1300 1270— 1290 1240 — 1260 1245— 1255 1225— 1245 1200— 1220 10— 8,5 10,5— 9,5 12 60-61 59—60 56-57
>52. Температуры закалки быстрорежущих сталей повышенной и высокой теплостойкости (для получения зерна балла 11)
Сталь Температура закалки, °C Твердость HRC после отпуска при 560° С, 3 раза
Стали по вышенной теплостойкости а) с повышенным углеродом
10Р8МЗ I 1200—1215 | б) с повышенным ванадием 65—66,5
Р12ФЗ I 1235—1250 | в) кобальтовые 64,5—66
Р9М4К8 1215—1235 67-69
Р12Ф4К6 1235—1250 65—66,5
Р8МЗК6С 1200—1220 68-70
Р12Ф2К8МЗ 1220—1260 66-67
Сталь высокой теплостойкости, отпуск 600® С, 1 р а з
В11М7К23 | 1260—1280 | 67,5-69
Инструменты подогревают при 800—850° С 10—15 мин или при 1050—1100° С 3—5 мин, а крупные инструменты предварительно при 550—600° С 15—20 мин.
170
Черные металлы и сплавы
Нагрев выполняют в смеси ВаС12 (78%) и NaCI (28%) при 800— 850° Сив ВаС12 при нагреве выше 1050° С. Соли каждые 8—12 ч раскисляют добавками 2—3% буры по массе или MgF2 (4—5% по массе). Раскисление MgFa создает лучшую защиту и обязательно для сталей, легированных молибденом или кобальтом, как более чувствительных к обезуглероживанию.
Выдержка при окончательном нагреве 10—12 с на 1 мм диаметра или наименьшей стороны (для стали В11М7К23 — 30—60 с).
Инструменты простой формы охлаждают в масле, а сложной — в горячих средах (KNO3) при 400—250° С.
Может быть и более высокая температура выдержки — 650° С.
Выдержка в горячих средах 3—5 мин при более высоких температурах и 8—15 мин при более низких.
Инструменты небольшой толщины (прорезные фрезы, пилы и др.) при 600—650° С помещают под пресс, а сверла диаметром 8—20 мм охлаждают под катком или между роликами правильной машины для уменьшения деформации.
Температуры закалки понижают на 10—15° С для инструментов небольшого сечения или сложной формы.
Отпуск. После закалки выполняют многократный: 2 раза для воль-фрамомолибденовых, 3 раза для вольфрамовых и кобальтовых и 3— 4 раза для стали Р8МЗК6С.
Температуры первого отпуска 350—375° С, а второго и третьего следующие: 550—560° С для вольфрамомолибденовых и кобальтовых сталей Р8МЗК6С и Р9М4К8 и 560—570° С для вольфрамовых. Назначают также температуры первого отпуска 550—560° С, но твердость и теплостойкость в этом случае немного меньше.
Для инструментов небольшого сечения (сверл), нагреваемых в автоматизированных агрегатах с точной регулировкой температур, применяют краткосрочный отпуск в течение 20 мин при 580—590° С для вольфрамомолибденовых и 590—600° С для вольфрамовых и кобальтовых сталей.
Отпуск после шлифования выполняют при 400—450° С в течение 30—40 мин для снятия напряжений и повышения стойкости инструментов.
Цианирование применяют для инструментов диаметром более 8—10 мм; оно повышает твердость до 1100—1050 HV в рабочей кромке на глубину до 0,05 мм. Теплостойкость и стойкость инструментов возрастают в 1,5—1,8 раз. Цианирование выполняют после шлифования и заточки.
Инструменты нагревают 15—20 мин при 550—560° С в расплавленной смеси NaCN (50%), NaCI (10—15%), Na2CO3 (15—25%) и NaOH (10—15%) с последующей обязательной промывкой и строго выполняя меры по технике безопасности.
Возможно цианирование в поташе и мочевине или же KCNO при температурах и с выдержками, указанными выше. Смеси не ядовиты при составлении, но в них постепенно образуется NaCN, что требует частой смены солей.
Оксидирование. Инструменты подогревают в печи до 350—400° С и помещают на 20—30 мин в ванну ♦ с температурой 480—510° С состава: 30—35% KNO2 и 65—70% Na2NO3. Затем их охлаждают на воздухе,
111 Возможен также нагрев в сухом паре под давлением 0,1 —0,3 кгс/сма.
Инструментальные стали
171
промывают в горячей воде, просушивают, погружают в холодное масло и протирают ветошью.
Оксидирование повышает стойкость инструментов дополнительно на 20—30%, повышая твердость рабочего слоя на HV 100—300, если они предварительно подвергались цианированию или азотированию. Кроме того, на поверхности создается пленка магнитной окиси железа толщиной 2—3 мкм темно-синего цвета, что улучшает товарный вид и повышает стойкость против коррозии.
Теплостойкие стали повышенной вязкости (штамповые)
Свойства и применение
Состав сталей указан в табл. 53.
Содержание Мп 0,15—0,6%.
63. Химический состав (%) теплостойких сталей повышенной вязкости (штамповых)
Сталь С Si Сг W Мо V Со
Стали умеренной 4ХЗВМФ 1 0.40—1 0,60—1 i теплостойкости 2,8— I 0,6—11 0,4— I | 0,60—1
Сп ЗХЗМЗФ I 0,48 шли not 0,27— 1 0,90 | пшенное 0,2 — 3,5 1 й тепло 2,8— 1 стойкое 1 0,6 | ти 2,5—3 1 0,90 1 0,4 —
4Х5МФС 0,34 0,32— 0,4 0,80— 3,5 4,50— 1,20— 0,6 0,30-
4Х5МФ1С 0,40 0,37— 1,20 0,80 — 5,50 4,50— 1,50 1,20— 0,50 0,80—
4Х5В2ФС 0,44 0,35— 1,20 0,80 — 5,50 4,50— 1,60— 1,50 1,10 0,60-
4Х4ВМФС 0,45 0,37— 1,20 0,60— 5,50 3,20— 2,20 0,80— 1,20— 0,90 0,60-
ЗХ2В8Ф 0,44 0,30— 1,00 0,15— 4,00 2,20— 1,20 7,50— 1,50 0,90 0,20 —
5ХЗВЗМФС 0,40 0,45— 0,40 0,50— 2,70 2,50— 8,50 3,00— 0,80 — 0,50 1,50— Nb
0,52 0,80 3,20 3,60 1,10 1,80 0,05—
2Х9В6 Сталг 0,15— 1 корроз 0,20 — ионное п 7,50— гойкие- 5,50— 0,20 — 0,15
(ЭП 726) 18Х12ВМБФР 0,22 0,15— 0,40 0,5 9,00 11,0 — 6,5 0,40— 0,40 — 0,50 0,15 — В
( 2Х6В8М2К7 I 0,22 "тали в 0,22—1 ысокой \ 0,20—1 13,0 теплосп 6,00—1 0,70 гойкост\ 1 7,50—1 0,60 и I 1,80—1 0,30 0,003 Nb 0,20 — 0,40 6,8—*
(ЭП 745) 0,30 0,40 7.°01 8,50 2,30 7,8
172
Черные металлы и сплавы
Стали указаны по ГОСТ 5960—72*. сталь 18Х12ВМБФР — по ГОСТ 5632—72** и стали 2Х8В8М2К7 и 2Х9В6 — по техническим условиям.
Стали используют для штампов, находящихся в процессе деформи-рования в сравнительно длительном контакте с нагретым обрабатываемым металлом (штампы прессования, выдавливания, высадки, вытяжки), и для форм литья и жидкой штамповки расплавленных металлов.
Стали, как правило, должны сохранять при температурах нагрева рабочего слоя предел текучести не ниже 95—100 кгс/мм5.
Кроме теплостойкости у этих сталей, как и у полутеплостойких повышенной вязкости, должна быть разгаростойкость. Их подвергают отпуску на твердость HRC 45—52 (и реже 40—42).
Многие стали для форм литья должны иметь, кроме того, повышенную стойкость против коррозии.
Прокаливаемость сталей высокая (в сечении до 300—400 мм) из-за повышенного содержания хрома.
Сталь умеренной теплостойкости 4ХЗВМФ с основным карбидом M^Ce из-за относительно низкого содержания вольфрама и молибдена сохраняет твердость HRC 45 и предел текучести 95—100 кгс/мм2 при нагреве не выше 500—525° С. Однако она менее чувствительна к отрицательному влиянию масштабного эффекта; ударная вязкость 3— 4 кгс*м/см2 сохраняется в сечениях стороной до 250—300 мм. Применяют для молотовых штампов небольших размеров вместо стали 5ХНМ (5ХГМ).
Стали повышенной теплостойкости сохраняют требуемые свойства при нагреве до 550—600° С, а стали 5ХЗВЗМФС и ЗХ2В8Ф до 600— 620° С.
Сталь ЗХЗВМФС (с более низким содержанием углерода) имеет несколько лучшие вязкость и разгаростойкость. Применяется для штампов небольших размеров, подвергающихся интенсивному охлаждению.
Стали 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х5МФ1С и 4Х4ВМФС применяют для штампов высадки и прессования (а также молотовых штампов толщиной или диаметром до 200—250 мм) и форм литья алюминиевых, цинковых и медных сплавов. Сталь 4Х5МФ1С пригодна для форм литья более крупных размеров.
Сталь 5ХЗВЗМФС имеет большую износостойкость, но меньшую вязкость, чем указанные выше стали, она рекомендуется для прошивных пуансонов и матриц, работающих без интенсивного охлаждения.
Сталь ЗХ2В8Ф применяют для тех же целей, что и сталь 5ХЗВЗМФС, но из-за повышенного легирования и низкой вязкости ее применение значительно сокращается.
Коррозионностойкие стали 2Х9В6 и 18Х12ВМБФР используют для форм литья алюминиевых, цинковых и медных сплавов.
Сталь высокой теплостойкости 2Х6В8М2К7 сохраняет твердость HRC 45 и предел текучести до 100 кгс/мм2 при нагреве до 700—720° С. Ее применяют для прессования и выдавливания труднодеформируемых сплавов (жаропрочных, нержавеющих, конструкционных сталей повышенной прочности).
Инструментальные стали
173
Горячая механическая и термическая обработка
Ковка. Температуры ковки ИЗО—1160° С (начало) и 850—925° С (окончание). Поковки охлаждают на воздухе до 700° С (более мелкие до 450—500° С), а затем в футерованной яме или горячем песке. Поковки стали 2Х6В8М2К7 после охлаждения до 700° С помещают в печь и выполняют отжиг.
Отжиг. Температуры отжига и твердость приведены в табл. 54.
Закалка и отпуск, Температуры закалки и отпуска и твердость указаны в табл. 55.
64. Температуры (°C) отжига и смягчающего отпуска теплостойких штамповых сталей
Сталь Отжиг Отпуск
Стали умеренной теплостойкости
4ХЗВМФ | 810 — 830 | 700 — 720
Стали повышенной теплостойкости
4Х5МС, 4Х5МФ1С, 4Х4М2ФС 840-860 730—760
ЗХЗМЗФ 910-930 700 — 720
БХЗВЗМФС 830—850 750 — 780
ЗХ2В8Ф 750-780
Стали умеренной и повышенной теплостойкости.
коррозионностоикие
2Х9В6 I 830—850 I 700-720
18Х12ВМБФР 820—840 —
Стали высокой теплостойкости
2Х6В8М2К7 | 890-910 1 ~
Рабочую часть штампов и форм (при отсутствии печей с контролируемой атмосферой) покрывают защитной обмазкой или устанавливают рабочей частью в отработанный карбюризатор. Штампы и формы подогревают при 900—1000° С, а крупные, кроме того, при 700—750° С. Выдержка при окончательном нагреве 25—30 мин на каждые 25 мм наименьшей стороны. Охлаждение с подстуживанием на воздухе до 950—900° С, а затем в масле.
Отпуск чаще выполняют на твердость HRC 45—48 для сохранения достаточной вязкости, а стали 2Х6В8М2К7 на твердость HRC 48—52.
174
Черные металлы и сплавы
•55. Температуры ( С) закалки и отпуска теплостойких штамповых сталей
Сталь Закалка Температуры отпуска (°C) на твердость HRC
Температуры нагрева, 'С Твердость, HRC 50 45
Стали умеренной теплостойкости
4ХЗВМФ 980—1020 53—56 | 400—420 | 1 440—460
Стали повышенной теплостойкости
4Х5МС, 1050—107" 56—58 560—580 600 — 610
4Х5МФ1С
4Х5В2ФС 1060—1080 52—54 580—590 610 — 620
ЗХЗМЗФ 1050—1080 50—52 560—580 600—610
4Х4В2МФС 1050—1070 56—58 600 — 620 620 — 630
6ХЗВЗМФС 1120—1150 53—56 640—650 650—670
ЗХ2В8Ф 1080—1100 54—56 600—610 640 — 650
Стали умеренной i и повышенной теплостойкости
коррозионностойки
2Х9В6 I 1130—1150 I 46 — 48 I 570 — 580
2Х12ВМБФР 1090—1110 58—60 600—620
Стали высокой теплостойкости
2Х6В8М2К7 | ’180—1200 | 56—58 | >80—699
Приме ч а н и я: 1. Температуры закалки штампов из стали
2Х6В8М2К7, работающих при повышенном нагреве, но при небольших
динамических нагрузках, повышают дополнительно на 10—20 G.
2. Сложнонапряженные штампы, помещаемые путем i горячей по-
садки в обойму из более вязкой стали и испытывающие сжимающие
напряжения, подвергают отпуску при 550— 570 С (HRG 53-55)
3. Температуры отпуска пуансонов и матриц из стали 2Х6В8М2К7,
работающих при повышенном износе, подвергают отпуску при темпе-
ратурах на 30- -40е С ниже (HRC 53 — 55).
Назначение инструментальных сталей
Назначение инструментальных сталей приведено в табл. 56.
Инструментальные стали
175
56. Назначение сталей для инструментов
Инструмент Рекомендуемая сталь
Металлорежущие и Сверла: катаные для обработки металлов твердостью до НВ 260—280 то же для обработки металлов большей твердости фрезерованные для обработки металлов твердостью до НВ 260—280 то же для сверления глухих от-верстий то же для сверления труднообрабатываемых сплавов (короткие сверла) вышлифованные то же для сверления сплавов по- вышенной твердости . . . Фрезы: резьбовые червячные то же для резания труднообрабатываемых сплавов . ... то же при повышенных нагрузках .... ... дисковые концевые то же для резания труднообрабатываемых материалов . ... Долбяки, шеверы Протяжки диаметром, мм: до 80—100 . более 100 . . Метчики: машинные и машинно-ручные ручные . Плашки круглые: для нарезания мягких металлов для нарезания твердых металлов Развертки: машинные ручные . Пилы: сегменты к круглым пилам . . . ножовочные полотна . ... то же ручные » для резки мягких метал-лов Напильники: для обработки мягких металлов то же твердых металлов . . . Деревообрабатывающие Пилы машинные: рамные круглые ленточные делительные > столярные Пилы ручные .... Пильные цепи нс тру менты Р6М5, Р12, Р6МЗ» Р8МЗ Р12ФЗ, Р12Ф4К5 Р6М5, Р12, Р8МЗ Р6М5К5 Р12Ф4К5, Р12Ф2К8МЗ, В11М7К23 Р6М5, Р8МЗ Р6М5К5 Р6М5, Р12 Р6М5, Р12ФЗ, Р8МЗ Р12Ф4К5, Р8МЗК6С, Р9М4К8, Р12Ф2К8МЗ Р6М5К5 Р6М5, Р12, Р12Ф2К8МЗ Р6М5, Р12, Р8МЗК6С Р8МЗК6С, Р9М4К8, В11М7К23 Р6М5, Р12 Р12, Р6М5, Р12ФЗ ХВСГ, Р6М5 Р6М5, Р18, Р8МЗК6С 11ХФ, У11А, У12А ХВСГ Р6М5, Р12 Р6М5, Р12ФЗ, Р8МЗК6С ХВСГ, Р6М5 Р9, Р6М5, Р12 Р9, Р6М5, Р12 Х6ВФ В2Ф 11ХФ, 13Х, У13А Р6М5 инструменты 9ХФ, 7ХНФ 9ХФ 9ХФ 9ХФ, 11ХФ 9ХФ 9ХФ
176
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл 56
Инструмент Рекомендуемая сталь
Ножи* для резания с ударными нагруз-ками • • « ' коррозионностойкие Ножи длинные двухслойные: режущая часть • • то же, но коррозионностойкие • « крепежная часть Ножи строгальные для резания: МЯГКИХ пород твердых пород . • то же при отсутствии ударных на-грузок • . • • Фрезы для резания: мягких пород • • твердых пород • • Стамески, долота • • • . Топоры, колуны • • • • Инструменты для резания други) Ножи резки бумаги с умеренной ско-ростью То же с большой скоростью Ножовки для пищевой промышленности Бритвы • • » коррозионностойкие Медицинские инструменты! скальпели хирургические . • • • ножи • « • • инструменты тонких сечений (в том числе для офтальмологи-ческих операций) «.«•••• Штампы объемной Штампы для высадки мягких металлов^ матрицы • пуансоны • • Штампы для высадки более твердых металлов •••• Штампы для прессования (выдавливания):, пуансоны при умеренных давле-ниях •••••••••••• то же при высоких давлениях • • » особо тяжелых условиях матрицы бандажи крупных матриц . « • • Накатные и резьбонакатные ролики: накатки твердых металлов • • • мягких металлов . . . • то же, нешлифуемые после за-калки и отпуска • Рифельные ножи: небольшой толщины ••«••• толщиной более 10—«15 мм • • • Чеканочные штампы: по мягким цветным металлам • • то же (мастер—пуансон) • • • • по .вердым металлам ..•••• Штампы гибочные, рихтовочные! работающие без ударных нагрузок с ударными нагрузками < • • • 6ХЗФС, 6XG 9X18 9ХФ 9X18 10, 15 Х6ВФ Р6М5, Р12, 6Х4М2ФС Р8МЗК6С Х6ВФ 6Х4М2ФС, Р6ПП, Р12 7ХФ, У7 У7 с органических материалов Х12М, Х6ВФ Р6М5, Р12 9X18 13Х 11Х14ГМ Х18МФ Х18МФ, 4X13 000X11НРМ2Т2 штамповки Х12М, Х6ВФ 6ХЗФС, У10 6Х4М2ФС, 6Х6ВЗМФС Х12М, Х12Ф1 8Х4В2СМФ Р6М5, Р12 Х12М, Х12Ф1 5ХНМ, 4ХЗМФС 6Х4М2ФС, 6Х6ВЗСМФ 6ХЗФС 7ХГ2ВМ 15Х1, 20Х 1 7ХГ2ВМ 6ХЗФС, 7X3 ХВСГ 6Х4М2ФС, 6Х6ВЗМФС Х6ВФ, Х12М 7ХФН, 6ХЗФС
Инструментальные стали
177
Продолжение табл. 56
Инструмент Рекомендуемая сталь
Штампы листовой штамповки
Вытяжные штампы: до 25 более 25 . . . более 25 для деформирования с большой скоростью Вырубные и отрезные штампы: для мягких металлов > твердых » . Пуансоны (иглы) для пробивки отверстий То же для мягких металлов ..... Доски для волочения и калибровки: цветных металлов стали .... Ножницы и ножи для рубки и резки: тонких листов (до 2 мм) без ока-ЛИНЫ листов толщиной более 2—3 мм или тонких (с окалиной) . . . Ножи холодновысадочных автоматов . • У10, УН, У12 2 11ХФ, Xs, ХВСГ Х12М, Х12Ф1 », Х12ВМ 7ХГ2ВМ, Х6ВФ Х6Ф4М, Х12М Х12, 6Х4М2ФС, 6Х6ВЗМФС 7ХГ2ВМ, Х12М Х12М, Х12ВМ, Х12Ф4М Х6Ф4М Х12М, Х6ВФ 6ХЗФС Р6М5, Р12, Р12ФЗ, 6Х4М2ФС
Штампы прессования
Матрицы прессования порошков при шлифовании: кубическим нитридом бора • • • обычными абразивами Х6Ф4М, Х12Ф4М Х12М, Х12ВМ
Пневматические инструменты и зубила
Пневматические инструменты (ударники) То же с повышенными ударными нагруз- 6ХЗФС 12ХНЗА, 18ХГТ1
Зубила, долота для: обработки мягких металлов ... » твердых » • • • 7ХФ, У7 6Х6ВЗМФС
Штампы горячего деформирования
Молотовые штампы наименьшей стороной, мм: 200—300 ...........................
300—400 .....................
то же при повышенном нагреве 400—500 .....................
400—700 .....................
Молотовые штампы для работы при повышенном нагреве: с наименьшей стороной до 150 мм крупные ..............
Контейнеры прессования сплавов ....«••
Прессовые вставки для сталей
мирования конструкционных сталей и цветных сплавов*Л* * **-----
5ХНВ, 4Х5МФС 5ХНСВ, 5ХГМ 4ХМФС
БХНМ
27Х2НВМФ, 30Х2НМФ
алюминиевых
4ХЗВМФ 30Х2НМФ
30Х2НМФ
4Х5МФС
178
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 56
Инструмент Рекомендуемая сталь
Штампы высокоскоростной машинной штамповки, вставки штампов, обработки легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов на молотах и кривошипных прессах . . Штампы для кривошипных прессов и горизонтально-ковочных машин, подвергающихся интенсивному охлажде-НИЮ Прошивные и формирующие пуансоны, матрицы для высадки на горизонтально-ковочных машинах, вставки штампов напряженных конструкций для деформирования конструкционных сталей и жаропрочных металлов и сплавов Пуансоны, матрицы для деформирования жаропрочных сплавов, штампы вырубки, экструзии быстрорежущих и других сплавов при повышенном нагреве (700—720° С) и давлениях (до 80—100 кгс/мм2) Формы литья под давлением и жидкой штамповки: для литья цинковых сплавов: при повышенном нагреве . • • » воздействии коррозии . . • для литья алюминиевых сплавов: наименьшей стороной до 200 мм » » свыше 200 мм коррозионностойкие . . . . для литья медных сплавов > жидкой штамповки медных сплавов 1 Необходима цементация. 2 Необходимо электролитическое : 8 Необходимо азотирование. 4Х4ВМФС \ ЗХЗМЗФ 5ХЗВ2МФС 2Х8В8М2К8 4Х5МФС 2Х9В6 4Х5МФС 4Х5МФ1С 2Х9В6 18Х12ВМБФР 18Х12ВМБФР хромирование.
ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Общая характеристика
Под твердыми сплавами понимают сплавы на основе карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, хрома), связанных кобальтом, легированной сталью или же жаропрочным сплавом на основе никеля.
Эти сплавы изготовляют методом порошковой металлургии из соответствующих исходных смесей карбидов со связующими металлами путем прессования последних в изделия необходимой формы и последующего спекания сформованных изделий, т. е. их нагрева в защитной атмосфере (водород) или в вакууме при температуре (в зависимости от химического состава) 1250—1450° С.
Кроме основных операций (приготовления смеси, формования и спекания) в технологический процесс изготовления изделий из твердых
Твердые сплавы
179
сплавов входят еще и другие операции, например, замешивание смеси с пластификатором (парафин и др.), удаление пластификатора из сформованных изделий путем их сушки, отделочная полировка изделий и др.
Современные спеченные твердые сплавы выпускают в виде изделий двух типов: а) стандартных пластин различного фасона, которыми оснащаются соответствующие инструменты, или же различных матриц для прессования полуфабрикатов и волочения проволоки; б) различного фасонного инструмента, например, спиральных сверл, метчиков, плоских фрез и др.
Фасонный инструмент изготовляют из пластифицированной смеси следующими способами:
а) механической обработкой пластифицированных «сырых» заготовок;
б) формованием мундштучным способом;
в) прокаткой ленты с последующей штамповкой из нее (вырубкой) плоских фрез и других инструментов.
Сформованный перечисленными способами инструмент подвергают сушке для удаления пластификатора и производят спекание.
Свойства твердых сплавов, а следовательно, и области применения в значительной степени зависят от химического состава (соотношения карбидной и связывающей фаз) и зернистости карбидной фазы. Регулированием этих двух основных факторов можно в широких пределах менять свойства сплавов.
I
Марки, составы и свойства твердых сплавов
В табл. 57 приведены основные характеристики стандартных твердых сплавов, выпускаемых в СССР.
В марках первые буквы означают группу, к которой относится данный сплав (ВК — вольфрамовая, Т — титано-вольфрамовая, ТТ — титано-тантало-вольфрамовая), цифры в вольфрамовой группе — количество кобальта, первые цифры в титано-вольфрамовой группе — количество карбида титана, а вторые цифры — количество кобальта. Первые цифры в титано-тантало-вольфрамовой группе — количество карбидов титана и тантала, а вторые цифры — количество кобальта.
В некоторых марках после последних цифр есть буквенные обозначения. Они означают следующее:
В—сплавы, изготовленные из карбида вольфрамя, полученного из крупнозернистого вольфрама, образующегося при высокотемпературном восстановлении; такие сплавы отличаются повышенной вязкостью;
М — сплавы, изготовленные из мелких порошков карбида вольфрама; для таких сплавов характерна повышенная износоустойчивость;
ОМ — сплавы, изготовленные из особо мелких порошков карбида вольфрама; такие сплавы отличаются очень высокой износоустойчивостью;
В К — сплавы, изготовленные из особо крупного карбида вольфрама; отличаются повышенной вязкостью, стойкостью против ударов;
КС — сплавы, изготовленные из карбида вольфрама, полученного при высоких температурах и, как следствие этого, отличающегося крупной зернистостью, но подвергнутого размолу до средней зернистости;
180
Черные металлы и сплавы
Б — индивидуальное обозначение марки вольфрамо-титано-танталового сплава.
Необходимо отметить, что строгого разграничения марок сплавов по этим обозначениям нет, они условны.
57. Основные характеристики стандартных спеченных твердых сплавов (ГОСТ 3882—74)
Группа Марка Химический состав, % Плотность, г/см3 Твердость HRC (не менее) аизг’ кгс/мма (не менее)
WC TiC ТаС Со
В КЗ 97 3 15,0—15,3 89,5 ПО
вкз-м 97 — 3 15,0—15,3 91,0 110
ВК4 96 4 14,9—15,2 89,5 140
ВК4-В 96 4 14,9—15,2 88,0 140
В Кб 94 — 6 14,6—15,0 88,5 150
ВК6-М 94 — — 6 14,8—15,1 90,0 135
ВК6-ОМ 92 — 2 6 14,7-15,0 90,5 120
к В Кб-В 94 6 14,6—15,0 87,5 155
0 ВК8 92 — 8 14,4—14,8 87,5 160
О ВК8В 92 8 14,4—14,8 86,5 175
СО ВК8-ВК 92 8 14,5-14,8 86,5 175
вкю 90 — 10 14,2—14,6 87,0 165
л вкю-м 90 10 14,3—14,6 88,0 150
ч вкю-ом 88 2 10 14,3—14,6 88,5 140
CQ вкю-кс 90 — —- 10 14,2-14,6 85,0 175
вки-в 89 — И 14,1—14,4 86,0 180
вки-вк 89 И 13,9—14,1 86,0 180
BK-15 85 — I— 15 13,9—14,1 86,0 180
В к-20 80 — to— 20 13,4—13,7 84,0 195
ВК-20КС 80 — 20 13,4—13,7 82,0 205
ВК-20К 80 — to— 20 13,4—13,7 79,0 155
В к-25 75 — — 25 12,9—13,2 82,0 200
й к о w Т30К4 66 30 4 9,5 —9,8 92 95
“g Т15К6 79 15 — 6 11,1 — 11,6 90 115
g S Т14К8 78 14 — 8 11,2—11,6 89,5 125
5 g, Т5КЮ 85 6 9 12,4—13,1 88,5 140
Т5К12 83 5 •— 12 13,1—13,5 87,0 165
К со ® А ° О ©4s ТТК12 81 4 3 12 13,0-13,3 87,0 165
S2 * ТТ8К6 84 8 2 6 12,8—13,3 90,5 125
ТТ10К8-Б 82 3 7 8 13,5—13,8 89,0 130
ч о 0 ТТ20К9 71 8 12 9 12,0—13,0 89,0 130
В табл. 58 приведены характеристики эксплуатационных свойств твердых сплавов и их основные области применения.
В табл. 59 приведены характеристики некоторых важнейших видов нестандартных спеченных твердых сплавов.
Твердые сплавы
181
58. Характеристики эксплуатационных свойств и назначение твердых сплавов (ГОСТ 3882—74)
Сплав Характеристика эксплуатационных свойств Назначение
ВК2 вкз вкз-м Весьма высокая износоустойчивость и повышенная допустимая скорость резания для сплавов вольфрамовой группы. Умеренная прочность и сопротивляемость ударам Чистовое и получистовое точение при непрерывном резании. Нарезание резьбы, развертывание и другие виды обработки черного чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. Резка стекла
ВК4 ВК6-М ВК6 Высокие показатели износоустойчивости и эксплуатационной прочности Черновое точение, черновое и чистовое фрезерование, рассверливание, зенкерование при обработке чугуна, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов, титана и титановых сплавов, нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов
ВК4-В Крупнозернистая структура, износостойкость более низкая, но более высокая эксплуатационная прочность, чем у ВК4 Бурение углей, сланцев, каменной соли и других пород
ВК6-В Крупнозернистая структура, износостойкость ниже, но более высокая эксплуатационная прочность, чем у В Кб Перфораторное бурение горных пород
ВК8 Более высокая эксплуатационная прочность, но меньшая износостойкость, чем у В Кб Черновое точение и другие виды черновой обработки резанием чугуна, цветных металлов, жаропрочных сплавов. Волочение и калибровка труб, прутков, проволоки. Штамповый инструмент. Вращательное бурение геологоразведочных и нефтяных скважин
В К 8-В Более крупнозернистая структура и более низкая износостойкость, чем в ВК8. Более высокая эксплуатационная прочность Бурение шарошечными долотами, зарубки каменных углей. Волочение труб и прутков из сталей и других металлов при повышенных обжатиях
вкю Меньшая износостойкость, но более высокая эксплуатационная прочность, чем у ВК8 Волочение труб и прутков из сталей, изготовление бы-етроизнашивающихся деталей машин, приспособлений и инструмента
182
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 58
Сплав Характеристика эксплуатационных свойств Назначение
ВК15 Высокая эксплуатационная прочность и сопротивляемость ударам. Износостойкость ниже, чем у ВК8 и ВКЮ Перфораторное и другие виды ударного бурения горных пород, гранита. Волочение труб и прутков из сталей с большими обжатиями, изготовление быстро-изнашивающихся деталей, штампов. Обработка дерева резанием
ВК20, ВК25 Эксплуатационная прочность и сопротивляемость ударам выше, а износостойкость ниже, чем у ВК15 Изготовление быстроизна-шивающихся деталей машин, штамповый инструмент
Т30К4 Наивысшие для титано-вольфрамовых сплавов износостойкость и допустимая скорость резания при пониженной эксплуатационной прочности Чистовое точение с малым сечением среза и другие виды обработки сталей
Т15К6, Т14К8 Эксплуатационная прочность выше, а износостойкость и допустимая скорость резания ниже, чем у Т30К4 Черновое и получистовое точение при непрерывном резании, чистовое точение при прерывистом резании и другие виды обработки сталей
Т5КЮ Эксплуатационная прочность выше, а износостойкость и допустимая скорость резания ниже, чем у Т14К8 Черновое точение при неравномерном сечении среза и прерывистом резании; чистовое строгание; черновое фрезерование и другие виды обработки сталей
Т5К12В Эксплуатационная прочность значительно выше, а износостойкость и допустимая скорость резания ниже, чем у Т5КЮ Тяжелое черновое точение стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковинами при наличии песка, шлака при неравномерных сечениях, срезах и ударах
ТТ10К8Б Высокая эксплуатационная прочность и сопротивление ударам при умеренной износостойкости Черновая и чистовая обработка труднообрабатываемых материалов, в том числе жаропрочных сплавов и сталей
59. Характеристики и назначения нестандартных твердых сплавов
Сплав Химический состав, % Плотность, г/см3 Твердость HRC а, кгс/мм2 3 о £ * Et кга/мм2 Разработчик Назначение
Карбидо-хромовый КХН Сг8С2 — основа, Ni — ю—зо 6,6—7,0 85—90 60—70 280— 350 32 000 -34 000 Институт проблем материаловедения АН УССР Штамповки и волочение черных и цветных металлов; калибровочный и измерительный инструмент. Пресс-формы для порошковой металлургии
Карбидо-титано-вый Т1С—50, связка из никелевого жаропрочного сплава типа ЖС6-50 7,8—8,2 82—83 220— 230 380— 400 38 000 — 39 000 Всесоюзный институт легких сплавов Изотермическая штамповка титановых сплавов, сталей
Ферро-цитит Т1С — основа, связка из легированной хромоникелевой стали — 10— 15 7,4 —7,6 88—89 70-80 — — Московский институт стали и сплавов Штамповка и волочение черных и цветных металлов
Твердые сплавы
184
Черные металлы и сплавы
Основные принципы изготовления твердосплавного инструмента
Инструменты, изготовляемые из твердых сплавов, можно разделить на три основные группы.
1. Пластинки различной формы для оснащения ими резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов, а также бурового инструмента.
2. Различные штамповые и волочильные инструментальные матрицы для прессования труб, прутков, волочения проволоки, высадки гильз и других операций.
3. Различные цельные фасонные инструменты в виде спиральных сверл, зенкеров, разверток, фрез и других инструментов.
Крепление штамповых и волочильных матриц осуществляют обычно путем тугой посадки в соответствующую стальную обойму с помощью определенного припоя. Пластинки в режущем и буровом инструменте крепят либо с помощью припоя, либо механическим способом.
В табл. 60 приведены характеристики припоев, наиболее часто применяемых на практике.
Для предохранения поверхности гнезда и пластинок твердых сплавов от окисления и лучшего смачивания спаиваемых поверхностей применяют флюсы.
60. Характеристики и назначения припоев для твердых сплавов
Припои Химический состав, % Температура плавления, °C Назначения
Медно-никелевый Си — 68,7, Ni — 27.5, Al — 0,8 1170 Для работ с большими нагрузками и нагревом режущей части инструмента до 900® С
Электролитическая медь Си — 99,9, примеси 0,1 1083 Для работ со средними нагрузками и нагревом режущей части инструмента до 700® С
Латунно-никелевый Си — 68,0, Zn — 27,0, Ni — 5,0 1000 То же
Латунь Л62 Си — 62, Zn — 38 900 То же при нагреве режущей части до 600® С
Серебряный Пер 45 Ag - 10, Си — 53, Zn — 37 720 Для припайки твердых сплавов о содержанием TiC
Подшипниковые стали
185
Характеристики основных видов применяемых флюсов приведены в табл. 61.
61. Основные виды флюсов
Состав флюса, % Назначение
Бура — 100 Основной вид флюса
Бура 50, борная кислота — 50 При использовании латунного припоя
Борная кислота — 57, фтористый кальций — 43 При использовании серебряного припоя
Для уменьшения термических напряжений, возникающих в процессе напайки пластинок твердых сплавов, применяют компенсационные прокладки из малоуглеродистой стали, а также из сплава пермаллой. Применение таких прокладок особенно важно при напайке пластинок из сплавов титано-вольфрамовой и титано-тантало-вольфрамовой групп.
ПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ
Широкая область применения подшипников качения, специфика нагрузок и условия работы обусловили применение для их изготовления высокоуглеродистых хромистых, низко углеродистых легированных сталей и сплавов, обладающих устойчивостью против коррозии и теплостойкостью (табл. 62). В основном подшипники качения изготовляют из высокоуглеродистых хромистых сталей ШХ15 и ШХ15СГ (табл. 63).
Кольца и тела качения подшипников, предназначенные для работы в агрессивных средах (морской воде, азотной кислоте и т. д.) и при повышенных температурах, изготовляют из коррозионностойких и теплоустойчивых сталей. Для подшипников, работающих при больших динамических нагрузках, применяют цементуемые стали.
Как в СССР, так и за рубежом сталь выплавляют в кислых мартеновских или электродуговых плавильных печах. Для повышения однородности и чистоты широко применяют сталь, выплавленную методом элек-трошлакового переплава и с вакуумированием. Предельные количества неметаллических включений и карбидной неоднородности, допускаемые в стали для подшипников качения, приведены в табл. 64, 65.
Сталь для производства подшипников качения поставляют: для горячей штамповки деталей — неотожженной, для холодной механической обработки — отожженной.
Скорость охлаждения при отжиге (10—30° С/ч) устанавливают с т^-ким расчетом, чтобы распад аустенита завершился в верхней области превращений (примерно до 600° С). Это обеспечивает образование структуры равномерно распределенного мелкозернистого перлита и
62. Стали и сплавы, применяемые для изготовления деталей подшипников качения
Материалы Марки ГОСТ или ТУ Профиль и вид поставки Основное назначение
В ысокоуглеродистые хромистые подшипниковые и инструментальные стали ШХ15 и ШХ15СГ ШХ15 ШХ15 ШХ15 и ШХ15СГ ШХ15-Ш, ШХ15СГ-Ш ШХ15-Ш ШХ15СГ-Ш ШХ15-Ш ШХ15-ШД ШХ15-ШД ГОСТ 801 — 60* ГОСТ 800-55* ГОСТ 4727—67 ЧМТУ 1-992—70 ЧМТУ 1-478—73 ТУ 14-1-594 — 73 ТУ 14-3-135 — 73 ТУ 14-3-142 — 73 ТУ 14-4-539—74 ГОСТ 21022 — 75 ТУ 14-1-563 — 74 Горячекатаная и холоднотянутая сортовая сталь Трубы Проволока Прутки Прутки Трубы Трубы Проволока Прутки Проволока Кольца, тела качения Кольца Кольца, чения То же » Кольца » Тела качения, кольца То же »
Среднеуглеродистые стали 55СВФА, 55СМ5ФА, 55СМЗФА. 55СМ5ФА-ВД ЧМТУ 1-129 — 67 ЧМТУ 1-169—67 Прутки Кольца, тела качения
Кор розионностойкие стали и сплавы 95Х18-Ш 11Х18М-ШД 8Х4В9Ф2-Ш 8Х4В9Ф2-ШД 12X13 (1X13) 20X13 (2X13) 30X13 (3X13) ТУ 14-1-595 — 73 ТУ 14-1-631 — 73 МРТУ 4-2-114 — 66 ТУ 14-1-13-71 ГОСТ 5632 — 72** ГОСТ 5632-72** ГОСТ 5632 — 72** Горячекатаная, калиброванная и серебрянка То же Прутки » » » Кольца, тела качения То же » Тела качения * » * »
Цементуемые стали 20Х2Н4А 20Х2Н4А-Ш 20ХЗГ2Ф 18ХГТ ЧМТУ 1-1005 — 70 ЧМТУ 1-955 — 70 ЧМТУ 1-618—69 ЧМТУ 1-800 — 70 Прутки, поковки Полоса Пруток » Кольца, тела качения То же »
Черные металлы и сплавы
63. Химический состав, % (не более), подшипниковой стали
Сталь ГОСТ или ТУ С Si Мп Сг Р S N1 Си Примечание
ШХ15 ГОСТ 801-60* 0,95 — 1,05 0,17-0,37 0,20— 0,40 1,30— Г, 65 0,027 0,02 0,30 0,25 Ni + Си — не более 0,50%
ШХ15СГ ГОСТ 801 — 60* 0,95 — 1,05 0,40— 0,65 0,90 — 1,20 1,30— 1,65 0,027 0,020 0,30 0,25 Ni 4- Си — не более 0,50%
95Х18-Ш ТУ 14-1-595—73 ГОСТ 5632—72** 0,9—1,0 0,8 0,8 17,0— 19,0 0,030 0,015 Fe - основа
11Х18М-ШД ТУ 14-1-631—73 1,10— 1,20 0,53— 0,95 0,50— 1,00 16,5— 18,0 0,025 0,015 Fe - основа
8Х4В9Ф2-Ш МРТУ 4-2-114 — 66 0,70 — 0,80 0,40 0,40 4,0 — 4,6 0,030 0,030 Fe - основа W 8,5 —9,5 V 1,4 —1,7
Подшипниковые стали
188
Черные металлы и сплавы
64. Нормы неметаллических включений в подшипниковой стали
Сталь, состояние поставки Размер профиля* мм ГОСТ или ТУ Баллы неметаллических включений по (не более)
оксидам сульфидам глобулям силикатам
ШХ15, холоднотянутая, горячекатаная отожженная <40 ГОСТ 801—60* 2 2 2
ШХ15, горячекатаная неото-жженная <40 ГОСТ 801 — 60* 2,5 2,5 2,5
ШХ15, холоднотянутая, горячекатаная ото- жженная >40 <80 ГОСТ 801 — 60* 2,5 2,5 2.5
ШХ15, горячекатаная неото-жженная >40 <80 ГОСТ 801 — 60* 3 2,5 2,5
ШХ15, горячекатаная неото- жженная 80 ГОСТ 801 — 60* 3 3 3
ШХ15-Ш, проволока ТУ 14-4-539—74 1 1 1
ШХ15-Ш, холоднотянутая Все размеры ТУ 14-1-594—73 1 1 1
ШХ15-Ш, горячекатаная ото- жженная и не-отожженная 1,5 1,5 1,5
ШХ15-ШД Прутки 0 <25 ГОСТ 21022—75 1 2 2 1
>25 <50 2 | 3 | 1 з 3
1,5—16 1 1 ТУ 14-4-563-74 1 2 1 2 1
95Х18-Ш Прутки 0 <20 ТУ 14-1-595—73 1,5 1,0 1,0 1,5
>20 <110 >110 <150 1,5 | 1.5 1 1 1,5 1 1,5
2,0 1 2,0 i 1 2,0 I 2,0
11Х18М-ШД 0 прутков <25,5 ТУ 14-1-631—73 1 1 2 2
>25,5 < <50,0 2 2 3 3
>50 <80 2 3 3 3
8Х4В9Ф2-ШД (ЭИ347-ШД) 0 прутков <25 ТУ 14-2-13—71 1 3 2 2
>25 <50 2 3 3 1 3
Подшипниковые стали
189
65. Нормы карбидной неоднородности в подшипниковой стали
Сталь, состояние поставки Размер профиля, мм Баллы карбидной неоднородности (не более)
карбидной полосчатости карбидной ликвации
ШХ15, холоднотянутая Все размеры 2,0 1,0
ШХ15, горячекатаная отожженная Все размеры 3,0 2,0
ШХ15, горячекатаная не-отожженная Все размеры 4,0 3,0
ШХ15, проволока 5,4 >12 2,0 0,5 1,0
ШХ15-Ш, холоднотянутая Все размеры 2,0 1,0
ШХ15-Ш, горячекатаная отожженная Все размеры 2,5 2,0
ШХ15-Ш, горячекатаная неотожженная <140 3,0 3,0
ШХ15-Ш, горячекатаная неотожженная >140 3,5 3,0
ШХ15-ШД, прутки <30 1,5 1,0
ШХ15-ШД, прутки >30 <50 2,0 1,0
ШХ15-ШД, прутки >50 <80 3,0 2,0
ШХ15-ШД, проволока <5,4 2 0,5
ШХ15-ШД, проволока <12
ШХ15-ШД, проволока >12 1.0
190
Черные металлы и сплавы
твердости НВ 178—207 для сталей ШХ15 и ШХ15СГ. Сталь 20Х2Н4А поставляют с твердостью НВ не более 229 (диаметр отпечатка — не л.енее 4,0 мм) после нормализации и отпуска при температуре 650° С, а сталь марки 18ХГТ — после отжига с твердостью НВ не более 217.
Кольца подшипников качения, как правило, изготовляют методом горячей штамповки или ковки, в отечественной промышленности их масса составляет около 55% от массы потребляемого металла.
При штамповке деталей подшипников из теплостойких сталей нагрев
a) 6)
Рис. 15. Про кали ваемость сталей ШХ15 и ШХ15СГ. Распределение твердости по сечению роликов разного диаметра (И. Н. Лагунцов, Е. И. Лагунцова,
С. Ф. Белков):
а — сталь ШХ15, закалка с 840—850® С в масле; б — сталь ШХ15СГ, закалка с 830® С в масле
нагревом до 1140—1160° С. Температура конца штамповки должна быть не менее 850° С. Охлаждают штамповки в термостате (печи) по режиму отжига с начальной температурой не выше 800° С.
Повышения прочностных характеристик и экономии металла достигают также горячей раскаткой колец подшипников. Раскатку осуществляют как с непосредственного нагрева под штамповку, так и с дополнительным нагревом в пламенных или индукционных печах при температуре 950—1000° С.
Режим предварительной термической обработки деталей подшипников качения из стали 20Х2Н4А включает в себя нормализацию с температурой нагрева 950—970° С и высокий отпуск с нагревом до температуры 630—660° С, а также выдержку 6—9 ч.
Для обеспечения рабочих характеристик подшипников качения применяют различные методы термического и химико-термического упрочнения.
Нагрев под закалку деталей подшипников из сталей ШХ15 и ШХ15СГ производят в электропечах сопротивления и соляных ваннах. Учитывая прокаливаемость стали (рис. 15), устанавливают температуру нагрева 830—860° С для деталей из стали ШХ15 с сечением до 10 мм и свыше 10 мм 840—870° С, для деталей из стали ШХ15СГ 820—
Подшипниковые стали
191
840 С. Величина действительного аустенитного зерна стали ШХ15 после закалки характеризуется кривыми на рис. 16. Время нагрева зависит от вида оборудования, среды нагрева и толщины сечения. Охлаждение колец производят в индустриальных маслах с температурой 30—60° С. Перед отпуском детали должны быть охлаждены до температуры н.е выше 25° С. Отпуск деталей из стали ШХ15 производят при температуре 150—165° С, из стали ШХ15СГ при 165—175° С не позднее
чем через 3 ч после закалки. Общую длительность отпуска устанавливают из расчета выдержки при температуре не менее 2 ч для деталей с сечением толщины стенки до 20 мм и 3 ч при сечении толщины стенки 20—50 мм. Содержание остаточного аустенита в сталях ШХ15 и ШХ15СГ должно быть не более величин, указанных в табл. 66.
Характерная особенность закалки деталей подшипников из коррозионностойких теплостойких сталей 95X18, 11Х18М и ЭИ347 — двухступенчатый режим нагрева. Предварительный нагрев производят при температуре 850—860° С для стали 95X18, при 830—850° С для стали 11Х18М и при 800° С —для стали ЭИ347. Окончательный нагрев сталей 95X18 и 11Х18М производят до температуры 1080—1100° С и 1220—1240° С для стали ЭИ347. Время нагрева деталей устанавливают из расчета 1,5 мин на 1 мм сечения, но
Рис. 16. Зависимость величины зерна аустенита в закаленной стали ШХ15 от исходной структуры и температуры закалки:
/ — мелкопластинчатый перлит; 2 — пластинчатый перлит; 3 — точечный перлит; 4 — мелкозернистый перлит: 5 — крупнозернистый перлит
не менее 4 мин. Охлаждение при закалке производят в индустриальных маслах ИС-12, ИС-20 с температурой 30—60° С.
После охлаждения до температуры цеха детали подвергают обработке холодом при температуре —(70—80)°C. Перерыв между закалкой и обработкой холодом не должен превышать 4 ч. Выдержка при температуре —70° С должна быть не менее 60 мин. После обработки холодом
детали нагревают на воздухе до температуры цеха и затем подвергают отпуску от 2 до 5 ч при температурах от 150 до 420° С (табл. 67). Микроструктура стали после термической обработки представляет собой скрыто- или мелкокристаллический мартенсит и карбиды.
В СССР для изготовления деталей подшипников качения применяют два метода химико-термического упрочнения — цементацию (табл. 68) и цианирование.
Глубину цементованного слоя устанавливают в соответствии с чертежами деталей и технологическими допусками. Нижний предел глубины цементованного слоя строго контролируют; верхний предел, как правило, устанавливают для колец и роликов массового произвол-
66. Содержание остаточного аустенита в сталях ШХ15 и ШХ15СЕ в зависимости от режимов термообработки
Сталь Исходная структура перлита Температура закалки, °C Содержание аустенита после закалки, % HRC после закалки Содержание аустенита (%) после отпуска при температуре, °C
150 | 175 200 | 225 | 250 | 275
П1Х15 Тонкопластинчатый 830 16—18 64 18-19 16—17 10 3 — 4 0 0
Мелкозернистый 850 — 18 10 5 1 0
Зернистый .... 830 7—8 60 — 61 14 — 10 4 0 0
ШХ15СГ Тонкоплэстинчатый 820 20 — 22 64 22 — 23 21 16 11,5 3 0
Точечный ... 820 16—18 63 18 17 13—14 10,5 2,5 0
Мелкозернистый 820 12—14 61 — 62 14 13 10,5 8 2,5 0
67. Типовые режимы отпуска сталей 9X18 и 11Х18М
Сталь Рабочая температура для подшипника, °C Отпуск Старение
Температура, °C Время, Твердость HRC (не менее) Температура, °C Время,
95X18 От —200 до +150 150—180 3 58 * J40—150 3
95X18 > +350 > +400 400 — 420 3+2 55 200 2
11Х18М > —200 > +120 150—160 3 60 140—150 3
11Х18М > —200 > +350 400—420 5 57 200 2
* При твердости более HRC 60 производится повторный отпуск при температуре 170—180* С в течение 2 ч.
Черные металлы и сплавы
Подшипниковые стали
193
68. Типовые режимы цементации деталей подшипников
Режим 18ХГТ 20Х2Н4А
Способ укладки колец В приспособлениях на поддон В приспособлениях на поддон
Температура, °C ± 10 970 940
Глубина слоя, мм 1,2—1,6; 1,4—1,8 1,2-1,6; 1,4—1,8; 2 — 3,5
Карбюризатор Природный или городской газ Природный ИЛИ городской газ
Время выдержки, ч 8,5—10, 10,5—12 9—11; 15 — 20; 25—40
Среда охлаждения Масло, воздух Масло, воздух (до 200—300° С)
Температура высокого отпуска, °C — 550 (масло), 630 (воздух)
Время-, ч — 8—12
Температура закалки, °C 860±10 800± 10
Время, ч 0,5-0,75 0,5-0,75
Среда охлаждения с температурой 30—60° С Масло Масло
Температура низкого отпуска, °C 160—170 160—170
Время отпуска, ч 2,5-3,0 1,5-2,0
Твердость поверхности HRC 61 — 65 58—62
Твердость сердцевины HRC Не менее 30 30 — 45
7'
194
Черные металлы и сплавы
ства факультативно. Допускается насыщение углеродом цементованного слоя: для стали 18ХГТ — 1,0—1,2%, а для стали 20Х2Н4А — 0,8— 1,2%. Микроструктура закаленного цементованного слоя для сталей 18ХГТ, 20НМ и 20Х2Н4А состоит из скрытокристаллического, мелкокристаллического или мелкоигольчатого мартенсита; наличие скоплений карбидов и замкнутой карбидной сетки не допускается.
Цианирование холодноштампованных колец из стали 18ХГТ осуществляют в расплаве солей при температуре 950 — 10° С на глубину 0,9—1,5, 1,0—1,3, 1,2—1,6 и 1,4—1,8 мм при выдержке (соответственно), равной 1 ч 45 мин, 2 ч 50 мин, 2 ч 30 йин, З.ч 15 мин, 3,0—5,0 ч и 4,0— 6 ч 30 мин. Закалка после цианирования производится с температуры 850—870° С в масло с температурой 30—60Q С.
После закалки перед отпуском детали промывают для удаления масла. Низкий отпуск проводят при температуре 160—170° С с выдержкой не менее 1,5 ч. Твердость поверхности HRC 61—65, а микроструктура состоит из мелкоигольчатого мартенсита. Замкнутая карбидная или карбонитридная сетки не допускаются.
Процесс нитроцементации колец подшипников проводят в шахтных печах при температуре 860° С, продолжительность выдержки 2—4 ч, глубина нитроцементации при этом от 0,3 до 1,6 мм.
Закалку производят непосредственно с температуры процесса, но не ниже 820° С в масло. Твердость HRC нитроцементованных колец из стали ШХ15 после отпуска при различных температурах следующая: 160° С — 67—69; 200° С — 65—66; 250° С — 64—65; 300° С — G0—63; 350° С — 58—60.
Микроструктура нитроцементованного слоя состоит из скрытокристаллического азотистого мартенсита с равномерно распределенными карбидами.
После нитроцементации значительно увеличивается объем стали ШХ15 по сравнению с объемом закаленной стали. Для компенсации этого увеличения предусматривается изменение припусков на шлифовку. Так, для колец подшипников диаметром от 50 до 200 мм по наружному диаметру уменьшают припуск на 0,1—0,15 мм, а по внутреннему диаметру увеличивают припуск также на 0,1—0,15 мм. Для колец диаметром менее 50 мм и шариков припуск не изменяется.
ПРУЖИННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ
В промышленности применяют много разнообразных пружинных сплавов, так как в зависимости от условий службы упругих элементов — пружин, мембран, сильфонов, рессор и т. п.,а также их формы и размеров они должны обладать различными механическими, физическими и химическими и технологическими свойствами.
Однако независимо от этого все пружинные сплавы должны иметь определенные, характерные для всех конструкционных сплавов свойства, т. е. прочность в условиях статического, циклического или динамического нагружения, пластичность и вязкость, сопротивление хрупкому разрушению, а также специальные механические свойства и в первую очередь высокое сопротивление малым пластическим деформациям в условиях кратковременного статического нагружения, характеризуемое пределом -упругости или менее точно пределом пропорциональности. Кроме того, эти сплавы должны обладать высоким сопро
Пружинные стали и сплавы
195
тивлением малым пластическим деформациям в условиях длительного статического или циклического нагружения при различных температурах и при воздействии различных внешних сред. Во многих случаях пружинные сплавы в отличие от обычных конструкционных материалов должны быть в то же время и сплавами коррозионностойкими, немагнитными или ферромагнитными, с низкой или высокой электропроводностью, с низким температурным коэффициентом модуля упругости, малой т-ЭДС в паре с медью, с большой или малой демпфирующей способностью и т. д.
Для того чтобы удовлетворить этим требованиям, применяют пружинные сплавы различного состава на основе железа, никеля, меди, тугоплавких и благородных металлов, которые подвергают разнообразным видам упрочняющей обработки — термической и термомеханической.
Классификация пружинных сталей и сплавов
Пружинные сплавы целесообразно разделять по их назначению.
Пружинные стали общего назначения используют в качестве конструкционных материалов, и поэтому они должны в первую очередь обладать высокими пределами прочности, упругости, выносливости и релаксационной стойкостью.
Пружинные стали и сплавы специального назначения. Эти сплавы наряду с повышенными механическими свойствами должны иметь определенные физико-химические и физико-механические свойства.
Стали общего назначения
К пружиннымсталям общего назначения относятся преимущественно углеродистые и легированные стали, главным образом перлитного класса и, лишь в ограниченной степени, мартенситного класса (табл. 69). Эти стали обычно содержат повышенное содержание углерода (0,4— 1,2%),' что и определяет высокую степень их упрочнения вследствие холодной пластической деформации или мартенситного превращения при закалке.
Углеродистая сталь отличается низкой коррозионной стойкостью, сравнительно высоким температурным коэффициентом модуля упругости, и из-за сниженной релаксационной стойкости при небольшом нагреве. Поэтому она непригодна для работы при температурах выше 100° С. Кроме того, углеродистая сталь имеет малую прокаливаемость, и поэтому ее можно применять лишь для изготовления пружин малого сечения. При закалке, когда необходимо охлаждение пружин в воде, неизбежно наблюдается значительная их деформация, а при очень сложных конфигурациях могут возникать трещины.
Легированные пружинные стали отличаются более высокой релаксационной стойкостью, чем углеродистые, и, кроме того, позволяют получить высокие прочностные свойства (в том числе и предел упругости) в сочетании с повышенной вязкостью и сопротивлением хрупкому разрушению в упругих элементах повышенного сечения. Возможность закалки пружин и других упругих элементов из некоторых более высоколегированных пружинных сталей на воздухе
69. Химический состав (%) пружинных сталей общего назначения
Сталь С Мп S1 Сг Ni Другие элементы Примерное назначение
65 70 75 85 У9А 8 У10А 8 У11А 8 У12А 8 50Г 60 Г 65F 70Г 0,62-0,70 0,67—0,75 0,72—0,80 0,82—0,90 0,85—0,94 0,95—1,04 1,05—1,14 1,15—1,24 0,47-0,55 0,57—0,65 0,62—0,70 0,67—0,75 0,50 — 0,80 0,50 — 0,80 0,50-0,80 0,50—0,80 0,15—0,30 0,15—0,30 0,15—0,30 0,15 — 0,30 0,70—1,00 0,70—1,00 0,90—1,20 0,90—1,20 0,17—0,37 0,17—0,37 0,17—0,37 0,17—0,37 0,15—0,30 0,15 — 0,30 0,15 — 0,30 0,15—0,30 0,17—0,37 0,17—0,37 0,17—0,37 0,17—0,37 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,15 <0,15 <0,15 <0,15 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,20 <0,20 <0,20 <0,20 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 111 1 11 1 111 1 1 Пружины механизмов и машин
55 ГС 50ХГ 50ХГА 55ХГР 50С2 55С2 55С2А 60С2 60С2А 0,52—0,60 0,46—0,54 0,47—0,54 0,52—0,60 0,47—0,55 0,52—0,60 0,53 — 0,58 0,57—0,65 0,58—0,63 0,60—0,90 0,70—1,00 0,80—1,00 0,9—1,2 0,60—0,90 0,60 — 0,90 0,60—0,90 0,60 — 0,90 0,60—0,90 0,50 — 0,80 0,17—0,37 0,17—0,37 0,17—0,37 1,50 — 2,00 1,50 — 2,00 1,50 — 2,00 1,50 — 2,00 1,60 — 2,00 <0,30 0,90—1,20 0,95—1,20 0,90 — 1,20 <0,30 <0,30 <0,30 <0,30 <0,30 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 0,002—0,005 В Рессоры автомашин. Пружины подвижного состава железнодорожного транспорта
70СЗА 0,60—0,74 0,60—0,90 "а 2,40 — 2,80 <0,30 <0,25 — Пружины механизмов и машин
СО
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 69
1 Сталь С Мп Si Сг Ni , Другие элементы Примерное назначение
50ХФА 60ХГФА 0,46—0,54 0,48—0,54 0,50—0,80 0,80—1,0 0,17 — 0,37 0,17—0,37 0,80 — 1,10 0,95—1,10 <0,25 <0,25 0,10—0,20 V 0,15 — 0,25 V Пружины особо ответственного назначения; рессоры легковых автомобилей
45ХНМФА 8 0,42—0,50 0,50—0,80 0,17-0,37 0,80—1,10 1,30—1,80 0,20—0,30 Мо 0,10—0,20 V Крупные клад панные пружины, торсионные валы
70С2ХА 0,65-0,75 0,4-0,6 1,40—1,70 0,2-0,4 — — Пружины часовых механизмов
50ХСА 60С2ХА 60С2ХФА 65С2ВА 60С2Н2А 1 По ГО< 0,45 — 0,55 0,56—0,64 0,56—0,64 0,61—0,69 0,56-0,64 СТ 14959—69. 8 0,30—0,50 0,40 — 0,70 0,40—0,70 0,70—1,00 0,40—0,70 По ГОСТ 1435- 0,80 — 1,20 1,40—1,80 1,40—1,80 1,50 — 2,00 1,40—1,80 -74. 8 По ГОС 0,90 — 1,20 0,70—1,00 0,90—1,20 <0,30 <0,30 LT 4543-61 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 1,40-1,70 0,10 — 0,20 V 0,80—1,20 W Крупные пружины ответственного назначения
Примечание. Согласно ГОСТ 14959—69 в стали, изготовленной скрап-процессом, содержание остаточных меди и никеля не более 0,3% каждого вместо 0,25% при использовании других металлургических процессов выплавки. Содержание Р и S в качественной стали <0,035%, а в высококачественной <0,025% каждого.
Пружинные стали и сплавы
198
Черные металлы и сплавы
также позволяет сильно уменьшить зональные остаточные напряжения, что повышает стабильность характеристик изделий во времени.
В зависимости от конфигурации упругих элементов, их размеров, требуемых свойств и экономичности технологического процесса производства для изготовления этих изделий применяют пружинную сталь: 1) холоднодеформированную, предварительно термически обработанную, обычно патентированную, проволоку или ленту; 2) термически обработанную методом закалки и отпуска на заданный уровень прочности ленту или проволоку; 3) холоднокатаную и горячекатаную сталь для пружин, подвергаемые затем закалке.
Холоднодеформированная термически обработанная пружинная проволока. Для изготовления этой проволоки обычно применяют углеродистые стали с 0,4—1,0% углерода, реже с повышенным содержанием марганца (65Г), а в некоторых особых случаях — также и низколегированные стали 50ХФА, 70С2ХА, предварительно до холодной пластической деформации подвергнутые термической обработке — патентированию. Для проволоки максимальной прочности (I класс) обычно применяют стали У7А—У9А, для проволоки повышенной прочности (классы II и ПА) — сталь 65Г и для проволоки нормальной прочности (III класс) — сталь 45 (табл. 70).
Проволоку I, II и ПА классов используют главным образом для изготовления одножильных или многожильных винтовых цилиндрических пружин сжатия и растяжения, работающих в условиях статического или циклического нагружения. Из проволоки III класса из-за ее пониженной прочности изготовляют лишь слабонагружаемые пружины. Проволоку I—III классов, как правило, изготовляют из углеродистых сталей, в том числе и 65Г, но для изготовления проволоки для пружин, которые работают при повышенных температурах и напряжениях, применяют низколегированные стали. Прочность проволоки тем больше, чем больше степень холодной пластической деформации или соответственно чем меньше ее диаметр. При этом наибольшее упрочнение при сохранении достаточной пластичности и вязкости достигается только в том случае, если перед волочением сталь приобретает структуру тонкопластинчатого сорбита.
Указанная структура получается в результате патентирования — термической обработки, заключающейся в аустенитизации катанки с последующим переохлаждением до температур верхней области пониженной устойчивости аустенита и выдержкой при этих температурах для полного завершения перлитного превращения. Режимы патентирования зависят от содержания в стали углерода и от диаметра заготовки.
В процессе волочения пластинки цементита приобретают определенную направленность и вытягиваются вдоль направления течения металла, а ферритные пластинки разбиваются на большое число субзерен, границы которых представляют собой скопление дислокаций, что и определяет высокий уровень упрочнения.
При использовании легированных сталей режимы патентирования существенно изменяются из-за возрастающей устойчивости переохлажденного аустенита, что требует повышения температуры и продолжительности изотермической выдержки в области превращения аустенита в сорбит. Эти изменения режима патентирования технологически трудно осуществить, и поэтому патентированию подвергают лишь низколегированные стали с относительно малоустойчивым переохлажденным
Пружинные стали и сплавы
199
70. Характеристики механических свойств проволоки (ГОСТ 9389 — 75)
I Класс III I (ээнэи эн) цинваиь -Лёяэ oiroHh 35 34 33 31 30 29 27 26 23 22 22 21 20 19 19 18 18 18 17 17 17 17 17 17 17 ' 17 17
(ээнэи эн) яорил -эёэи О1гэиь 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 |2==2в>в,2Ь
8ww/ojh ‘ао юююююююююоооооооююшюооооооо СЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧОСЧСЧ^ — — — — OOOiCn СЧСЧСЧС4СЧСЧСЧСЧО1СЧСЧСЧСЧСЧСМСЧСЧСЧСЧСЧО1СЧСЧО1СЧ — — 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ютюютююююооооооооооотиэтшюоо
Класс ПА (ээнэи эн) цинееиь -Кбиэ oiroHh юМ'соеосчсчсч’-1 — оооооо^мошю’Г СОСОСОеОСОСОСОСОСОСОСОС4СЧСЧСЧС4С4СЧСЧСЧб4СЧСЧСЧСЧСЧСЧ
(ээнэм эн) яорил -ЭС1ЭИ OlfDHh 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ~~ °00 00
jWW/OJM ‘®D 225 — 270 225—270 225—270 225 — 270 225—270 225—270 225 — 270 225 — 270 225—270 220 — 265 220 — 265 220 — 265 220 — 265 220 — 265 220—265 220 — 265 215 — 260 215 — 260 215—260 215—260 210 — 255 210 — 255 205 — 250 195 — 240 195 — 240 195 — 240 190 — 230
II I (ээнэм эн) ЙИНВЯИЬ -А(!мэ oiroHh 35 34 33 31 30 29 27 26 23 22 22 21 20 19 19 18 18 18 17 17 17 17 17 17 17 17 17
(ЭЭНЭИ эн) НОрИЛ -эёэн oiroHh 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 |2~2e>t'®2
ZWW/OJM ‘aD 225—270 225—270 225 — 270 225 — 270 225 — 27.0 225—270 225—270 225 — 270 225—270 220-265 220 — 265 220 — 265 220 — 265 220 — 265 220 — 265 225 — 265 215—260 215 — 260 215—260 215—260 210—255 210 — 255 205 — 250 195 — 240 195 — 240 190 — 230 190—230
I 1 (ээнэю эн) цинеяиь -Лбмэ OITOIIh Ю ТГ СО OOSOMCNONCD <0X0 <0<0<0<0<0<0<0<0<0<0<0<0 СОСОСОСОСОСЧСЧСЧСЧСЧСЧ — — — —.—«—1 — —
(ээнэм эн) норил -ЭС!Э11 О1ГЭИЬ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
гИМ/ЭЛМ ‘и0 оооооооооошюююююооооооююооо « «-.-.-«-,««00000000000 oiaixssioo сососососососососососососососососососососчсчсчсчсчсасч 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 оооооооооюююююююооооююооооо t^.t^t^t>.t>.t^.t>.t^-t^.<o<o<o<o<o<o<o<o<o<o<ominiO'^Trcoco счсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчсчосчсч
Диаметр, мм 0,14 0,15 0,16 0,18 0,20 0,22 0,25 0,28 0,30 0,32 0,36 0,40 0,45 0,50 0,56 0,60 0,63 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40
200
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 70
(ээнэш эн) уинваиь -ЛбяО OITOHh с- с* с* c- to ю m ю -"T co co co co co co oi o> co Tf । । с уз-
Класс III (эонам эн) норил -adan oiroHfr 15 13 11 11 10 9 8 8 10 7 7 6 5 5 6 5 4 6 6 6 6 Б а разрыв
gHH/OJM *°D inin OOOUJLO 1ЛЮЮЮ1ОЮ ЮО lOO 1ЛЮ1ЛЮЮ соо^оооосог^с^сососоютюют^тгсососчсчсч 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 II 1 1 1 1Л1ЛОООООООООООО1Л1ПО1Л1ЛООО Tf Tr5t"4-M<xfTrcOCOn(NCSC4C4^-r-<00 000 пытанием н
(ээнэн эн) цинеииь -Лбяэ oiroHh 24 24 24 24 23 22 21 21 19 18 18 18 18 18 18 16 13 8 6 гняют ис
< о га (ээнэн ээ) SOQHJ -и do о oiroHh Ю CO О О Ст> 00 t*- C" OiiOiOiO Ю Ю со СО СО j | | гиб зам<
jWW/ЭЛЯ *eD 185—220 185—220 180 — 210 180 — 210 180 — 210 170 — 200 170 — 200 165—195 165—195 165—195 155—185 155—180 155—180 155—180 150—175 140—165 140—165 135—160 135—160 1ие на пере
(ээнэн эн) цинвниь -ЛбЯЗ OlfOHh г>. (ч. (ч. (£) Щ Щ Ю ’f со СО СО СО СО СО СЧ О> СО М’ | | | и испытае
Класс 11 (ээнэп эн) норил -adэн О1гэир1 lOCOOOOQOt^.t^.OiiOtOiOiOlOCOiO'^'CDcOCOcOiO S 00 о V/
gWW/ЭЛЯ *°£) О О О О О О О Ш Ю Ю Ю О О О Ю Ю to О О Ю in щ сч сч —> ' оосютозоооооооог^сосососо-^тг —, СЧСЧСЧСМСЧСЧСЧ— 1 1 11 1 1 1 1 1 11 I 1 1 1 1 1 1 1 1 11 intOOOOOOtO ЮЮШШЮЮООО 1П1П1П 1О Ю ООООООООООГ>-Ь^СОСОСОЮеО|ПЮ10тгчгсОСОСчСЧСЧ 0 ИМО1ГОЖ
(ээнэи эн) цинвнин -Лбяэ oiroHh СО СО LO 1О ЧТ СО СО СЧ — О О О> 00 Ь-со СО ЧГ ЧГ GM J | | Для пре
I Класс I (ээнэм он) норил -adan oiroHh ю со — о оо >- со со ь- чг чг со со со чг со ш со । । । а н и е.
8 WW/ЭЛЯ *в£) оооооооюоююоооюююоо ioio-M’Tfco<NC40oaiaia>aiaioob~c^t>.t>. СЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧ—’ — -^——’-^— — — — 11 11 111 1111111111 1 1111 ооооооооюооюютоооош СЧ СМ —> -*ООаюОГ^.ГчГ>.СОСОСОСОЮЮ-^"Ч* СЧСЧСЧСЧСЧ’—’-”-—1—— П р и м е ч / Ч со га О э \\' га О
га сх * 1,50 1,60 1,70 1,80 2,00 2,20 2,30 2,50 2,80 3,00 3,20 3,40 3,50 3,60 4,00 4,50 5,00 5,60 6,00 6,30 7,00 8,00 с Е Е )
Пружинные стали и сплавы
201
аустенитом. Однако разработанный в последнее время новый процесс ступенчатого патентирования позволяет решить проблему патентирования и среднелегированных сталей. Свойства патентированной проволоки в результате последующей холодной пластической деформации зависят от величины общей (суммарной) деформации и от величины обжатий за один проход. Упрочнение тем выше, чем больше суммарная степень обжатия. Оптимальная величина частных обжатий должна быть примерно 10—12%.
В результате упрочняющей холодной пластической деформации патентированная проволока приобретает значительные остаточные напряжения, которые сильно снижают предел упругости, почти не влияя на предел прочности. Для снижения этих напряжений и повышения предела упругости и релаксационной стойкости — основных характеристик пружинной стали — готовые пружины после операций навивки или гибки подвергают последующему низкотемпературному отпуску обычно при 200—300° С. Рост предела упругости в результате этого отпуска достигает примерно 100% от исходной величины, тогда как предел прочности возрастает примерно лишь на 10%. Релаксационная стойкость пружин после отпуска возрастает по сравнению с неотпущенными примерно в два раза. Также возрастает и предел выносливости, правда, не столь значительно (на 5—10%), причем температура отпуска для достижения максимума этого свойства обычно выше (300—350° С), чем температура отпуска для достижения максимального предела упругости (обычно 200—300° С). При назначении режима отпуска следует учитывать влияние не только температуры, но и его продолжительности.
Рекомендуемые режимы отпуска пружин из патентированной высокоуглеродистой стальной проволоки: температура 175° С с выдержкой 2 ч или при 220—300° С, но с выдержкой 1 ч или при 350° С — 15 мин.
Пружины, изготовленные из патентированной и холоднодеформи-рованной стальной проволоки или ленты, после дополнительного отпуска приобретают высокую прочность, в том числе и усталостную, при повышенной вязкости. Поэтому эта сталь рекомендуется для изготовления1 тяжелойагруженных пружин преимущественно из профилей малого сечения (толщиной или диаметром до 1,5—2 мм). При больших диаметрах проволоки не удается обеспечить высоких степеней обжатия, и поэтому стандартный комплекс механических свойств в этих сечениях ниже, но не уступает свойствам, получаемым после обычной закалки и отпуска. Однако и в этом случае по ограниченной выносливости и меньшей склонности к хрупкому разрушению пружины из патентиро-ванных сталей превосходят закаленные и отпущенные. В то же время у стали, закаленной и отпущенной на равную твердость с патентированной и холоднотянутой, более высокий предел упругости и большая релаксационная стойкость при 20° С, но при нагреве эта стойкость для стали после обеих упрочняющих обработок практически одинакова.
Термически обработанная (упрочненная) пружинная лента и проволока. Пружинную ленту изготовляют из углеродистой (У7А—У12А) или низколегированной (70С2ХА, 60С2А) стали. Лента отличается высокой точностью размеров, повышенной прочностью, высоким качеством отделки поверхности в результате шлифовки и полировки *, что определяет высокое сопротивление хрупкому разрушению и усталостную
202
Черные металлы и сплавы
прочность. Последняя может быть повышена шлифовкой не только поверхности, но и кромок ленты или получением закругленных кромок вследствие плющения под валками проволочной заготовки.
Классификация термически обработанной ленты дана в табл. 71, а свойства — в табл. 72.
71. Прочностные свойства термически обработанной ленты
Группа прочности Предел прочности ов, кгс/мм2 Твердость по Виккерсу HV
Ш 130—160 375 — 485
2П 161 — 190 486—600
ЗП >190 >600
72. Свойства вязкости (число переменных изгибов) термически обработанной ленты
Толщина ленты, мм Радиус валков,-мм Число переменных изгибов (не менее)
Группа прочности
1П | 2П | ЗП
Стали
65Г, У7А, У8А У9А, У10А,-У12А, 60С2А, 70С2ХА 65Г, У7А, У8А У9А, У10А, У12А, 60С2А, 70С2ХА 65Г, У7А, У8А У9А, У10, У12А, 60С2А, 70С2ХА
0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1 2 4 4 6 6 6 8 8 8 26 23 35 26 31 25 20 17 14 12 24 18 29 24 25 21 17 14 12 10 22 17 26 19 22 17 12 11 7 2 18 14 20 15 18 14 9 9 4 1 18 13 19 12 19 11 5 3 14 10 18 10 15 9 3 2
Из термически обработанной ленты изготовляют пружины сравнительно простой конфигурации путем вырубки с применением, если необходимо, небольшой гибки. После этих операций производят низкий отпуск при 200—300° С для снятия напряжений.
Помимо термически обработанной ленты, в промышленности для изготовления пружин также применяют и термически обработанную
♦ После шлифовки или полиоовки леыту подвергают низкотемпературному отпуску, который уменыиаетвозникающиепри поверхностной обработке остаточные напряжения и создает окисную пленку желтую или синюю, способствующую лучшему сохранению смазки.
Пружинные стали и сплавы
203
проволоку диаметром от 1,2 до 5,5 мм, изготовляемую из сгалей 65ГА, 68ГА, 68А, 50ХФА (см. табл. 73).
После закалки и отпуска свойства стальной проволоки зависят от ее диаметра (табл. 74).
73. Химический состав (%) сталей для термически обработанной проволоки
Сталь С Мп Si Ni Сг Al Си
65ГА 0,65-0,70 0,70 — 1,00 0,15 — 0,50 <0,2 <0,15 <0,08 <0,2
68ГА 0,65 — 0,70 0,70 — 1,00 0,15 — 0,25 <0,2 <0,12 <0,05 <0,15
68А 0,65 — 0,70 0,40 — 0,55 0,15 — 0,25 <0,2 <0,12 <0,05 <0,15
Основные достоинства термически упрочненной проволоки — прямолинейность и повышенная релаксационная стойкость, особенно у про-
74. Характеристики механических свойств проволоки (ГОСТ 1071—67*)
Диаметр, мм ав-кгс/мм2 (не менее) Диаметр валков, мм Число перегибов на 180° для проволоки Число скручиваний на c.6j°
I класс | 11 класс I класс | II класс
Не менее Не менее
1,20 1,40 1.60 1,80 2,00 2,30 2,50 2,75 180 175 175 170 170 165 165 160 10 10 8 7 7 6 5 4 4 9 7 6 6 5 4 3 3 10 7 8
3,00 3,20 3,40 3,50 3,60 3,75 4,00 5,00 160 160 160 150 150 145 145 135 20 8 8 8 7 7 7 6 3 7 7 7 6 6 6 5 5 10 8
волоки повышенных диаметров. Стали этого типа используют главным образом для изготовления клапанных пружин.
Холоднокатаная и горячекатаная сталь для пружин. Пружинная сталь в виде холоднокатаной ленты может быть или в нагартованном состоянии, или после отжига, в том числе и после отжига на зернистый перлит. Из этих полуфабрикатов изготовляют пружины более сложной конфигурации и точных размеров, чем из указанных ранее полуфабрикатов. Пружинную холоднокатаную ленту изготовляют из углеродистых
204
Черные металлы и сплавы
сталей — конструкционных (сталь 85), в том числе сталей с повышенным содержанием марганца 50Г, 60Г и 65Г (см. табл. 69), инструментальных У7—У12 и У7А—У12А и пружинных легированных 60С2А, 50ХФА, 65С2ВА и 70С2ХА (см. табл. 1).
Свойства пружинной холоднокатаной ленты указаны в табл. 75.
Для производства пружин и рессор крупных сечений применяют сортовой и полосовой горячекатаный прокат. Эти упругие элементы изготовляют навивкой или штамповкой в холодном или горячем состоянии. Пружины и другие упругие элементы, изготовленные из полуфабрикатов последних двух типов, для достижения требуемого комплекса механических свойств подвергают упрочняющей обработке — закалке и отпуску.
Для изготовления пружин, рессор и тому подобных упругих элементов из указанных полуфабрикатов применяют углеродистые и легированные стали. Свойства и режимы термической обработки углеродистой стали приведены в табл. 76. Закалку пружин из этих сталей производят в воде или масле.
Твердость пружин после обычной закалки и отпуска, как правило, HRC 42—48. При более высокой твердости пружины склонны к хрупкому разрушению.
Пружины, рессоры и другие упругие элементы больших сечений и те, от которых требуется повышенная релаксационная стойкость, в том числе и при небольшом нагреве, изготовляют из легированных сталей, чаще всего кремнистых, а также из хромомарганцевых, хромованадиевых.
Рекомендуемые режимы термической обработки пружин из легированных сталей приведены в табл. 76.
75. Характеристики механических свойств пружинной ленты (ГОСТ 2283 — 69*)
Стали Толщина, мм Лента отожженная Лента нагар-тованная
ав’ кгс/мм* й5, % кгс/мм®
Не менее
50Г, 60Г, 65Г, У7, У7А, У8, У8А 2 2 65 75 20 10 75—120
У8Г. У8ГА, У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, 85 0,08—3,0 75 10
50ХФА, G0C2A, 60С2, G5C2BA 90 10 80—120
70С2ХА 90 8
76. Режим термической обработки и механические свойства (минимальные) горячекатаной стали (ГОСТ 14959—69)
Сталь Критические точки, °C Режим термической обработки а°;2’ кгс/мм2 ав» Ф, %
Асх Ася *зак* °C Закалочная среда ^опг °C кгс/мм* %
65 70 75 85 У9А * У10А — У12А * 60Г 65 Г 70Г 55ГС 50С2 55С2-55С2А 60С2 60С2А 70СЗА 50ХГ 50ХГА 55ХГР 50ХФА 50ХГФА 60С2ФА 60ХСА 65С2ВА 60С2Н2А 60С2ХА 60СГА * Прр жимы терм 727 730 730 730 730 730 775 750 750 750 750 750 I закалке в ической об! 752 743 840 820 820 775 775 790 воде темпе эаботки соо 840 830 820 820 760—790 770—810 840 830 830 820 870 870 870 870 860 840 840 830 850 850 850 850 850 880 870 860 ратуру при тветствуют Масло > Мчсло или вода То же Масло » Масло или вода То же Масло » » [нимают по нижнеи применяемым в пр 480 480 480 480 300 — 420 300 — 420 480 480 480 480 460 460 460 420 460* 440 440 450 520 520 410 520 420 420 420 460 лу пределу, умышленно 80 85 90 100 80 80 85 80 ПО 120 120 140 160 110 120 125 110 120 170 120 170 170 160 140 при закалк •сти. 100 105 ПО 115 100 100 105 100 120 130 130 160 180 130 130 140 130 130 190 130 190 175 180 160 е в масле - 10 9 9 8 8 8 7 8 6 6 6 6 6 7 7 5 8 6 5 6 5 6 5 6 - по верхне 35 30 30 30 30 30 25 30 30 30 25 20 25 35 35 30 35 35 20 30 20 20 20 25 !му. Ре-
Пружинные стали и сплавы
to
206
Черные металлы и сплавы
На рис. 17—20 показаны зависимости свойств некоторых широко распространенных сталей от температуры отпуска.
Помимо закалки и отпуска для упрочнения пружин часто применяют также изотермическую закалку на нижний бейнит — обычно при
Рис. 17. Зависимость механических свойств сталей БОХГ (а) и 55ХГР (6) от температуры отпуска
280—350° С. После изотермической закалки у стали повышаются пластичность, вязкость и уменьшается склонность к хрупкому разрушению. При этом уменьшаются уровень внутренних напряжений, деформация при закалке и склонность к хрупкому разрушению. Поэтому для пружин, подвергнутых изотермической закалке, допустима более высокая твердость — до HRC 50—52, чем после обычной закалки и отпуска. После изотермической закалки предел упругости и релаксационная стойкость ниже, чем после обычной закалки и отпуска. Они могут быть повышены путем дополнительного отпуска при температуре, равной температуре предшествующей изотермической выдержки при закалке.
Пружинные стали и сплавы
207
Рис. 18. Зависимость механических свойств стали 60С2 от температуры отпуска
Рис. 19. Зависимость усталостной прочности стали 60С2, 60С2ХФА и 60С2ХА от температуры отпуска
Температура отпуска,°C
208
Черные металлы и сплавы
Рис. 20. Зависимость механических свойств стали 50ХФА от температуры отпуска
Пружинные стали и сплавы специального назначения
Сплавы этого класса целесообразно разделить на следующие группы: а) коррозионностойкие; б) немагнитные; в) с низким температурным коэффициентом модуля упругости; г) высокоэлектропроводные.
Коррозионностойкие стали и сплавы (см. табл. 77) применяют для изготовления пружин регулирующих устройств и приборов, работающих в коррозионноактивных средах. Применение таких пружин значительно эффективнее, чем пружин с гальваническими покрытиями.
Для пружин, стойких в атмосфере пара, воздуха, воды и слабоокис-ляющих сред, применяют высокохромистые стали типа 30X13 и 40X13
77. Химический состав (%) коррозионностойких пружинных сталей и сплавов (ГОСТ 5632—72**)
Сталь С Si Мп Сг Ni Ti Мо Другие элементы
20X13 0,16—0,25 Стали <0,8 марте <0,8 а с и т и о г с 12,0-14,0 • класса
30X13 0,26—0,35 <0,8 <0,8 12,0—14,0 __ — __
40X13 0,36—0,45 <0,8 <0,8 12,0—14,0 — —
14Х17Н2 0,11 — 0,17 <0,8 <0,8 16,0—18,0 1,5—2,5 — — —
12Х18Н9 Не более 0,8 Не более 0,12 Стал <0,8 и а у с т е <2,0 Н И Т н о Р о 17,0—19,0 класса 8,0—10,0 — * — —
12Х18Н9Т <0,8^ <2,0 17,0—19,0 8,0—9,5 5-С-0.8 — —
08Х18Н10Т Не более <0,8 <2,0 17,0—19,0 9,0—11,0 5-С-0,7 __ —
17Х18Н9 0,08 0,13 — 0,21 <0,8 <2,0 17,0—19,0 8,0—10,0
37Х12Н8Г8МФБ 0,34 — 0,40 0,3—0,8 7,5—9,5 11,5—13,5 7,0 —9,0 <0,2 1,1 —1,4 1,25—1,55 V
А ус тении ъно-мартенсип гные стали, , упрочняем 1ые фазовые i наклепом и д исперсионныл t твердением 0,25 —0,5Nb
09Х15Н8Ю Не более <0,8 <0,8 14,0— 16,0 7,0 —9,4 — — 0,7—1,3 Al
09Х17Н7Ю1 0,09 Не более <0,8 <0,8 16,5— 18,0 6,5—7,5 0,7— 1,1 Al
08Х17Н5МЗ 0,09 0,06—0,10 <0,8 <0,8 16,0—17,5 4,5—5,5 3—3,5
0Х17Н7ГТ ** <0,05 <0,6 0,8—1,2 16,5—17,5 6,5—7,5 0,85—1,20 —— <0,5 Al
0Х7Н13ГТ ** <0,05 <0,6 0,8—1,2 12,5—14,0 6,0—7,5 0,75—1,10 — <0,5 Al
36НХТЮ А ус те <0,05 нитные сп/ <0,5 raew, у проч 0,8—1,2 няемые диспе, 11,5—13,0 рсионным те 35—37 ердением 2,7—3,2 0,9—1,2 Al
36НХТЮМ5 <0,05 <0,5 0,8—1,2 12,5—13,5 35 — 37 2,7—3,2 4,0—6,0 1 — 1,3 Al
36НХТЮМ8 <0,05 <0,5 0,8—1,2 11,5—13,0 35 — 37 2,7 —3,2 7,0 —9,0 0,9—1,2 Al
70НХМБЮ * <0,06 <0,3 0,2 —0,7 14,0—16,0 Осн. —W 2,5 —3,5 0.7—1,3 Al
* По ТУ 14-2! ** По ТУ 14-Ь 22-26—73. •193—72. 8,0—9,0Nb
Пружинные стали и сплавы
210
Черные металлы и сплавы
(см. табл. 78). Пружины из этих сталей изготовляют методами холодной (или горячей) навивки или изгиба, а затем закаливают при 1000— 1050° С с охлаждением в воде или масле и далее проводят отпуск при 300—350° С (если пружины работают при климатических температурах) и при 500—550° С (если они работают при нагреве). В первом случае сталь 30X13 имеет следующие характеристики механических свойств: ов = 180 кгс/мм2; а0,2 = 135 кгс/мм2; апц = 120 кгс/мм2; ф = 45% и 6 = 10%, а после более высокого отпуска (500° С) ов = 185 кгс/мм2; о0,2 = 150 кгс/мм2; апц = 125 кгс/мм2; ф = 35% и 6= 11%.
У высокохромистых сталей 30X13 и 40X13 наряду с удовлетворительной коррозионной стойкостью большая прокаливаемость, что обеспечивает высокую прочность в крупных сечениях, но в то же время они склонны к хрупким разрушениям и сильно деформируются при термической обработке.
Для повышения коррозионной стойкости пружин из сталей 30X13 и 40X13, особенно тех, которые изготовляют методами горячей деформации и закаливают с нагревом в печах без защитной атмосферы, необ-ходимы шлифовка и полирование поверхности. Более повышенная коррозионная стойкость, но при снижении прочности, достигается на стали с повышенным содержанием хрома (14Х17Н2). После закалки при 1000° С с охлаждением на воздухе и отпуска при 300—350° С ов = 130 кгс/мм2, 6= 10% и ан = 1,6 кгс-м/см2.
Высоким упрочнением, хорошей коррозионной стойкостью, меньшей склонностью к хрупкому разрушению и меньшей деформацией при термической обработке отличаются дисперсионно-твердеющие стали аустенитно-мартенситного класса с низким содержанием углерода. Это стали 09X15Н8Ю, 09Х17Н7Ю1, 08Х17Н5МЗ, 0Х17Н7ГТ, 0Х7Н13ГТ. Режим их термической обработки: закалка при 900—950° С, обработка холодом при —70° С (2—3 ч) и старение при 450—500° С.
Более высокие прочностные свойства при высоком сопротивлении хрупкому разрушению и сопротивлению коррозии у практически без-углеродистых мартенситностареющих сталей, упрочняемых закалкой и отпуском (старение). Стали типа Н10Х12Д2ТБ, Н4Х12К15М4Т по прочности и коррозионной стойкости превосходят стали 30X13, 40X13, а также 14Х17Н2.
У стали типа Н10Х12Д2ТБ (^0,03% С; ^0,1% Si; ^0,1% Мп; 10—11% Ni; 11,5—12,5% Сг; ЦО-1,4% Ti; 1,8—2,1% Си; 0,1— 0,3% Nb) после закалки при 870° С, обработки холодом при —70° С (2 ч) и отпуска (старения) при 450° С (6 ч) следующие характеристики технических свойств: ав= 180 кгс/мм2; а0,2 = 170 кгс/мм2; о0.оо2 = = 130 кгс/мм2; 6= 10%, а сталь типа Н4Х12К15М4Т (^0,02% С; 11,5% Сг; 4% Ni; 14,5% Со; 4,1% Мо; 0,8% Ti) после закалки при 950° С, обработки холодом при —70° С (16 ч) и отпуска (старения)’ при 550° С (6 ч) ав= 170 кгс/мм2; о0,2 = 158 кгс/мм2; о0.оо2 = = 125 кгс/мм2 и 6 = 12%.
Эти стали устойчивы в морской воде и окислительных средах.
Упругие элементы из этих сталей можно изготовлять методами холодной штамповки из закаленных заготовок, а затем уже подвергать упрочняющему старению (отпуску). Возможен также и другой способ — горячая деформация (штамповка), а затем закалка и старение.
Немагнитные пружинные стали и сплавы. Более высокая коррозионная стойкость в сочетании с немагнитностью и отсутствием склонности к хрупким разрушениям характеризует аустенитные стали.
Пружинные стали и сплавы
211
Широко применяют аустенитные стали типа 18-8 или 18-10, упрочняемые после закалки сильной пластической деформацией, в процессе которой, особенно при низких температурах, может образовываться мартенсит деформации, что увеличивает степень упрочнения, но в то же время делает сталь ферромагнитной.
Обычно стали этой группы, например наиболее типичную 08Х18Н10Т, используют для изготовления пружин в виде проволоки или ленты.
Прочность проволоки тем больше, чем меньше диаметр или толщина. Так, при диаметре 8,01 мм ов = 140-г-160 кгс/мм2 и 6^20%. а при диаметре 0,11—0,71 мм ав= 175-=-205 кгс/мм2 и число скручиваний не менее 4.
На полуфабрикатах (лента или проволока) из стали типа 18-8 или 18-10 диаметром или Толщиной более 10 мм нельзя получить большие обжатия и соответственно повышенную прочность. Поэтому из этих сталей не изготовляют пружин больших сечений.
Технология изготовления пружин из коррозионностойких сталей указанного типа состоит из следующих операций: навивки, отпуска (обычно при 450° С), заневоливания и полирования.
При конструировании упругих элементов из стали 08Х18Н10Т и 12Х18Н9Т рекомендуется принимать модуль нормальной упругости равным 19 • 1(г кгс/мм2 модуль сдвига 7000 кгс/мм2; допускаемые напряжения * для пружин узлов с неограниченной долговечностью — 60— 80 кгс/мм2, а с ограниченной — 85—120 кгс/мм2.
В тех случаях, когда нужна полная немагнитность в сильноупроч-ненном состоянии, применяют также после сильной деформации стали 17Х18Н9 и 37Х12Н8Г8МФБ. После навивки пружин производится отпуск, повышающий их работоспособность для первой стали при 450° С, а для второй — при 500° С.
Когда необходимо изготовлять немагнитные и коррозионностойкие пружины и другие упругие элементы сложной формы методами холодной пластической деформации с большим обжатием, глубокой и сложной вытяжкой, например, сильфоны, гофрированные мембраны и т. п., используют аустенитные дисперсионно-твердеющие, т. е. упрочняемые термической обработкой сплавы. В закаленном аустенитном состоянии эти сплавы высокопластичны и легко деформируются давлением, а затем после деформации в процессе отпуска (старения) упрочняются. Эти сплавы упрочняются и в больших сечениях и поэтому могут быть применены для изготовления сравнительно крупных по размерам упругих элементов. К числу таких сплавов на железо-никель-хромовой основе относятся 36НХТЮ, 36НХТЮМ5 и 36НХТЮМ8 (см. табл. 77). Помимо повышенной коррозионной стойкости указанные сплавы также отличаются теплостойкостью: 36НХТЮ — до 200° С, 36НХТЮМ5 — до 250—300° С и 36НХТЮМ8 —до 300—350° С.
Термическая обработка и свойства этих сплавов указаны в табл. 78.
Для упругих элементов, у которых должна быть наиболее высокая коррозионная стойкость, особенно в окислительных средах, применяют сплавы на никель-хромовой основе 70НХМБЮ и 47ХНМ. У первого высокая коррозионная стойкость и теплостойкость, его можно использовать до 500—550° С. Термическая обработка и свойства этих сплавов приведены в табл. 78.
* Верхний предел — для проволоки 0 0,2 мм, а нижний — для 0 8 мм.
78. Характеристики механических свойств и режимы термической обработки аустенитных сплавов *
Сплав Режим (Тв, кгс/мм2 а0>2 кгс/мм2 кгс/мм2 Ь % НВ
36НХТЮ Закалка при 950° С и старение при 675° С (4 ч) 115—125 80-100 60—70 14-18 330—350
36НХТЮМ5 Закалка при 1000—1050° С и старение при 750® С (4 ч) 125—140 90—110 70—80 8—10 400—420
36НХТЮМ8 Закалка при 980—1000® С и старение при 750° С (4 ч) 140—150 110—115 80.-90 6—7 440—450
70НХМБЮ Закалка при 1150° С и старение при 750° С (5 ч) 135—160 120—140 100—120 8—17 HRC 44—46
47ХНМ Закалка при 1250® С и старение при 700— 725° С (5 ч) . . . 135—145 125—135 115—120 5—10 440—430
* См. справочник «Прецизионные сплавы» М., «Металлургия», 1974, с. 442.
79. Химический состав (%) коррозионностойких, немагнитных и высокопрочных пружинных сплавов на Со—Сг—Ni-основе (ГОСТ 10994—74)
Черные металлы и сплавы
Сплав С Si Мп Со Ni Сг Мо W А1 Ti
40КХНМ 0,07-0,12 <0,5 1,8—2,2 39 — 41 15—17 19—21 6,4 —7,4 .
40КХНМВ 0,09—0,11 <0,5 1,8 —2,2 39—41 14 — 17 18—20 3,0—4,0 3,5—4,5
40КНХМВТЮ <0,05 <0,5 1,8-2,2 39—41 18 — 20 11,5 3,0—4,0 6-7 0,2-0,5 1,5—2,0
Пруэшнные стали и сплавы
213
Для упругих элементов малых сечений и простой формы, но от которых требуется очень высокая прочность (ав 2504-300 кгс/мм2), высокая усталостная прочность и коррозионная стойкость при немаг-нитности, применяют сплавы на Со—Ni—Сг-основе. Основная область применения этих сплавов — заводные пружины различных механизмов. Состав этих сплавов приведен в табл. 79. Их упрочняют путем термомеханической обработки, включающей в себя закалку, холодную пластическую деформацию с высокими обжатиями и последующее старение (отпуск) для преобразования субструктуры и образования сегрегаций из атомов углерода и легирующих элементов. Режимы упрочняющей обработки и механические свойства сплавов этого типа приведены в табл. 80.
80. Характеристики механических свойств и режимы упрочняющей обработки коррозионностойких, немагнитных и высокопрочных пружинных сплавов
на основе системы Со—Сг—Ni *
Сплав Режим обработки кгс/мм2 а°»2’ „ кгс/мм2 а0,005’ кгс/мм2 б. %
40КХНМВ Закалка при 1100— 1150° С, деформация 80—85%, старение при 450 — 500° С (3 ч), проволока 700— 800
40КХНМ 0 < 100 мкм Закалка при 1100— 1150° С, деформация, старение при 400—450° С 320— 380 240— 300 185— 195
40КНХМВ ТЮ (4 ч) . . . Закалка при 1100— 1150° С, холодное волочение с обжатием 85% и старение при 250— 270 230— 250 170 3-5 600— 700
500—550° С (4 ч) 200— 220 180— 200 150— 160 4—6 550— 600
* См. справочник «Прецизионные сплавы», М., 1974, с. 442. , «Металлургия»,
Пружинные сплавы с низким температурным коэффициентом модуля упругости. Для упругих элементов, часовых механизмов и т. д. применяют сплавы с низким температурным коэффициентом модуля упругости, что обеспечивает повышенную точность работы указанных изделий. Эти сплавы ферромагнитные, обычно на железо-никель-хромовой основе и упрочняются в результате термической и термомеханической обработки и старения. Составы и упрочняющие обработки указаны в табл. 81 и 82.
81. Химический состав (%) сплавов с низким и постоянны термопластическим коэффициентом (ГОСТ 10994 — 64)
Сплав С S1 Мп N1 Сг Т1 А1
42НХТЮ 42НХТЮА 44НХТЮ 36НХ11 * * По ТУ 14 <0,05 <0,05 <0,05 0,15—0,25 -1-572 — 73. 0,5—0,8 0,5 —0,8 0,5 —0,8 0,2 —0,4 0,5 —0,8 0,4 —0,8 0,5—0,8 0,3—0,6 41,5 — 43,5 41,5 — 43,5 43,5 — 45,5 35,5 — 37,5 5,3 —5,9 4,9 —5,7 5,2-5,8 10,5—11,5 2,4 —3,0 2,2 —3,0 2,2 —2,7 0,4 —0,8 0,5—1,0 0,5—1,0
82. Характеристики механических свойств и режимы упрочняющей обработки сплавов с постоянным и низким термоэластическим коэффициентом
Сплав Режим <ТВ, кгс/мм2 О0 2, кгс/мм2 °0.005’ кгс/мм2 6, % НВ
42НХТЮ Закалка при 910® С, старение при 600° С 120—125 80—100 60 — 70 10—15 320 — 350
42НХТЮА 44НХТЮ Закалка при 910° С, холодная пластическая деформация с обжатием 75%, старение при 700° С Закалка при 910° С и старение при 600° С (3 ч) . . ... 130 — 140 120 80 — 90 60—65 5—6 10—15 300—320
36НХ11 Закалка, холодная пластическая деформация и старение при 500° С. 130 120 — — —
Черные металлы и сплавы
Высокопрочные стали
215
Сплавы 42НХТЮ, 42НХТЮА и 36НХ11 имеют постоянный модуль упругости при температуре до 100° С, 44НХТЮ — до 200° С. Сплав 36НХ11 отличается от других заметно более высокой коррозионной стойкостью.
Высокоэлектропроводные сплавы. К этой группе относятся бериллиевые бронзы, фосфористая бронза и некоторые другие, указанные на стр. 431—440.
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ
При создании машин и механизмов с минимальной массой часто бывает необходимо применять высокопрочные стали. Несмотря на повышенную склонность к некоторым типам хрупких разрушений, высокопрочные стали при соблюдении определенных требований к конструированию и технологии могут вполне надежно применяться для изготовления весьма ответственных нагруженных деталей. Об этом свидетельствует большой опыт по их применению в СССР и за рубежом.
Кроме высокопрочных среднелегированных конструкционных сталей за последние годы довольно широко применяют высокопрочные нержавеющие стали, имеющие при той же прочности значительно большую вязкость и ряд важных технологических преимуществ. Кроме того, весьма перспективны высокопрочные мартенситностареющие стали.
Среднелегированные стали
Предел прочности и другие механические и технологические свойства этих сталей определяются в основном содержанием в них углерода. Легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали, т. е. максимальную толщину детали, при которой происходит закалка с образованием мартенситной структуры во всем сечении. В некоторой мере легирующие элементы способствуют увеличению вязкости и пластичности стали. Более существенное влияние на вязкость стали при той же прочности может оказать металлургическое качество металла, характеризующееся макроструктурой и плотностью слитка, а также величиной ликвационной неоднородности, чистотой по неметаллическим включениям и содержанием вредных примесей и газов.
Предел прочности стали после закалки в масле и низкого отпуска (200—250° С) при полной прокаливаемости в зависимости от содержания углерода примерно равен, кгс/мм2: 0,25% С — 160; 0,30% С — 180; 0,35% С — 190; 0,40% С — 200. После низкотемпературной изотермической закалки предел прочности на 10—15 кгс/мм2 ниже.
Легирующие элементы различным образом влияют на свойства среднелегированных высокопрочных сталей.
Никель существенно увеличивает прокаливаемость, повышает сопротивление хрупкому разрушению (сопротивлению отрыву), понижает температуру хладноломкости, повышает вязкость в направлении, поперечном по отношению к волокну, способствует мелкозернистости стали.
Кремний замедляет процесс разупрочнения при отпуске, увеличивает прокаливаемость, существенно улучшает механические свойства при изотермической закалке.
Марганец существенно увеличивает прокаливаемость.
Хром увеличивает прокаливаемость, способствует мелкозернистости.
Молибден, вольфрам существенно увеличивают прокаливаемость, способствуют мелкозернистости стали и повышению свойств в попереч
216
Черные металлы и сплавы
ном направлении, препятствуют хрупкости, возникающей при медленном охлаждении в процессе отжига.
Чрезмерное легирование не улучшает механических свойств высокопрочных сталей.
С увеличением содержания углерода и легированности ухудшаются технологические свойства: сталь труднее отжигается и хуже механически обрабатывается, ухудшается свариваемость, увеличивается склонность к образованию холодных сварочных трещин, труднее исправляется перегрев стали при горячей деформации.
Из высокопрочных среднелегированных сталей следует применять стали с минимальным содержанием углерода (но достаточным для получения нужной прочности) и минимальным легированием, достаточным в то же время для обеспечения полной прокаливаемости в наиболее массивных сечениях детали. При этом желательно применять никелесодержащие марки.
Неполная прокаливаемость может привести к потере не только прочности, но и вязкости.
В качестве высокопрочных сталей можно применять любые конструкционные стали, подвергнутые закалке и низкому отпуску. При этом весьма желательно, чтобы сумма содержания хрома, марганца, кремния и никеля была не ниже 2,5%, а при легировании дополнительно молибденом — не ниже 1,5—2,0%.
В табл. 83 приведены марки среднелегированных высокопрочных сталей, наиболее широко применяемые в отечественном машиностроении.
Самое широкое применение получили сталь ЗОХГСНА и ее модификация ЗОХГСНМА, обладающие хорошим сочетанием механических и технологических свойств. Эти стали много лет с успехом используют для изготовления весьма ответственных деталей, в том числе сварных.
Для деталей крупного сечения (более 100 мм) при необходимости большой прокаливаемости целесообразно применять сталь 30Х2ГН2СВМА. Эту же сталь можно применять для деталей меньшей толщины, если необходима закалка на воздухе (например, для фиксирования размеров при охлаждении и устранении закалочных деформаций), а также для деталей, работающих при повышенной температуре (до 300—400° С). В качестве более дешевых высокопрочных сталей, но имеющих сравнительно небольшую прокаливаемость, можно применять стали ЗОХГСА, 35ХГС, ЗЗХС и 38ХС.
Для деталей, обрабатываемых на ов = 180-Г-200 кгс/мм2, применяют сталь 40ХГСНЗВА после изотермической закалки.
Основные виды термической обработки для получения высокой прочности — закалка в масле или изотермическая низкотемпературная закалка с последующим низким отпуском. При изотермической закалке по сравнению с закалкой в масле несколько понижается предел прочности и текучести, однако увеличивается вязкость и примерно в 2— 3 раза уменьшаются поводки.
Модуль упругости высокопрочных сталей примерно такой же, как у сталей малой и средней прочности (—19 000 кгс/мм2), поэтому упругая деформация деталей с увеличением уровня прочности изменяться не будет. Это нужно также учитывать при изготовлении деталей, работающих на сжатие.
При малой жесткости (большое отношение длины к радиусу инерции поперечного сечения) критические сжимающие напряжения, вызывающие потерю устойчивости, определяются согласно формуле Эйлера
Высокопрочные стали
217
83. Среднелегированные стали, используемые для обработки на высокую прочность, и их свойства
Сталь (Ув? кгс/мм* Термическая обработка
30 X ГСН А и ЗОХГСНМА 140—160 Изотермическая закалка в жидкой среде с температурой 280— 320е С (1 ч)
150—170 Изотермическая закалка в жидкой среде с температурой 270— 300° С (1 ч)
160—185 Изотермическая закалка в жидкой среде с температурой 240—280° С (1 ч)
170—190 Закалка в масле, отпуск при 220° С
25Х2ГНТА 150—165 Закалка в масле, отпуск при 220° С
30Х2ГН2СВМА 160—185 Закалка в масле или на воздухе, отпуск при 220° С
40ХГСНЗВА 180 — 200 Изотермическая закалка в жидкой среде с температурой 240— 260° С (3 ч)
ЗОХГСА Тот же, что и у стали 30 X ГСН А Режимы закалки те же, что и у стали 30 X ГСН А, но при значительно меньшей прокаливаемости (при изотермической закалке 15 мм)
33 ХС 160—175 Изотермическая закалка в жидкой среде с температурой 240— 280° С
38ХС 170—190 Изотермическая закалка в жидкой среде с температурой 240— 280* С
35ХГСА 165—185 Изотермическая закалка в жидкой среде с температурой 240— 280° С
218
Черные металлы и сплавы
модулем упругости Е. В этих случаях применение высокопрочных сталей не оправдано, так как никаких преимуществ по прочности по сравнению с другими сталями не будет.
При большой жесткости (малое отношение длины к радиусу инерции поперечного сечения) величина критических сжимающих напряжений в значительной степени определяется пределом текучести,
Рис. 21. Прочность (<ТКр) при продольном сжатии труб с шаровыми опорами из стали ЗОХГСА различной жесткости: / —-ав= 165 кгс/мм*; 2—ав= 135 кгс/мм2;
3 — ов$ / — длина трубы; i — радиус инерции сечения трубы
и поэтому применять высокопрочные стали в этом случае целесообразно (рис. 21).
На основании многолетней практики наиболее рациональным уровнем предела прочности высокопрочных сталей для различных деталей машин можно считать ов= 165-7-185 кгс/мм2 при закалке в масле и низком отпуске и <ув=160-ь- 180 кгс/мм2 при изотермической закалке. Применять стали с уровнем предела прочности сгв = 180-т--т-200 кгс/мм2 можно только для сравнительно ограниченного круга-деталей и при значительно более жестких требованиях к конструированию и технологии изготовления.
Термическая обработка
На рис. 22 приведены кривые изотермического распада аустенита сталей ЗОХГСНА и 40ХГСНЗВА. Для улучшения механической обрабатываемости стали ЗОХГСНА применяют неполный отжиг: нагрев до 780Q С, охлаждение с печью до 650Q С, выдержку в течение 5 ч, далее охлаждение с печью или на воздухе. Для смягчения стали 40ХГСНЗВА применяют отпуск при 670—690° С с выдержкой от 4 до 16 ч.
Максимальная вязкость закаленной высокопрочной стали получается при низком отпуске 200—230Q С. Повышение температуры отпуска сталей ЗОХГСНА и 40ХГСНЗВА выше 300° С не рекомендуется из-за понижения ударной вязкости (отпускная хрупкость 1-го рода). Поэтому при закалке в масле регулировать термической обработкой уровень прочности в пределах его высоких значений почти невозможно.
В СССР для упрочнения высокопрочных сталей широко применяют изотермическую закалку, в результате которой образуется структура нижнего бейнита или его сочетания с мартенситом. В этом случае, изменяя температуру ванны охлаждения для изотермической выдержки, можно регулировать уровень прочности стали (см. табл. 84). Однако закалка в ванне со слишком высокой температурой, при которой увеличивается устойчивость аустенита (см. рис. 22), приводит к хрупкости стали. Это объясняется интенсивным перераспределением углерода в стали и обогащением углеродом нераспавшихся в процессе изотермической выдержки участков аустенита, которые при последующем охлаждении до 20Q С превращаются в участки высокоуглеродистого хрупкого мартенсита. Хрупкость стали при чрезмерном повышении темпе
Высокопрочные стали
219
ратуры ванны во время изотермической закалки проявляется прежде всего в уменьшении поперечного сужения, а затем в резком падении ударной вязкости. По изменению твердости такая хрупкость не обнаруживается, поэтому нужно весьма тщательно контролировать и выдерживать заданную инструкцией температуру охлаждающей ванны.
9
Рис. 22. Диаграмма изотермического распада аустенита сталей (Л. М. Певзнер, Т. Д. Кубышкина):
а — ЗОХГСНА и б - 40ХГСНЗВА (ЭИ643)
В качестве среды для закалки можно использовать селитровые и щелочные ванны, однако для увеличения прокаливаемости и во избежание местных перегревов селитровых ванн желательно их оборудовать перемешивающими устройствами типа механических шнеков или мешалок; могут применяться барбатеры, через которые пропускают предварительно осушенный воздух. При нагреве деталей под закалку в соляных ваннах нельзя допускать раскисления ванн желтой кровяной солью KaFe (CN)e, применяемой обычно для раскисления охла
220
Черные металлы и сплавы
ждающих ванн при светлой изотермической закалке. При раскислении K4Fe (CN)6 ванн нагрева под закалку происходит насыщение азотом тонкого поверхностного слоя, что может привести к хрупкому разрушению деталей, имеющих концентраторы напряжений.
Требования при конструировании и разработке технологии
Для надежной работы деталей из высокопрочных сталей необхо-
димо проектировать их с максимально возможными радиусами переходов. С увеличением концентрации напряжений сопротивление многоцикловой и малоцикловой усталости значительно уменьшается (рис. 23).
Важнейшие факторы, определяющие надежность деталей из высокопрочных сталей, — шероховатость и состояние поверхности. «Черная»
Рис. 23. Зависимость числа разрушения образцов с надрезом из стали ЗОХГСНА; СУВ = 175 кгс/мм2 при
испытании на малоцикловую усталость от концентрации напряжений «V
[С. И. Кишкина, Н. В. Анисимова]
необработанная после горячей штамповки поверхность во многих случаях допускается, однако места концентрации напряжений обязательно необходимо механически обрабатывать до удаления всего окисленного при горячей деформации слоя.
Важное значение для выносливости деталей имеет шероховатость поверхности после механической обработки. При этом следует учитывать, что наиболее неблагоприятная грубая поверхность понижает выносливость в том случае, когда риски от механической обработки
направлены перпендикулярно потоку растягивающих напряжений. В особенности большое влияние оказывает шероховатость поверхности на выносливость сталей с уровнем прочности около 200 кгс/мм2.
Практика показала, что наиболее рациональными требованиями
к шероховатости поверхности деталей из высокопрочных сталей следующие: Ra = 2,54-1,25 — для мест значительной концентрации напряжения, в том числе поверхности отверстий; Rz = 204-10—для остальных мест действия растягивающих напряжений; Rz = 404-20 — для сжатых зон деталей и Rz = 804-20 — для участков деталей, работающих на сдвиг и продольную устойчивость. В первых двух случаях класс шероховатости может быть несколько понижен при совпадении направления рисок от механической обработки и действия растягивающих напряжений.
Один из наиболее действенных способов увеличения долговечности работы деталей из высокопрочных сталей — поверхностный наклеп, причем его эффективность возрастает с увеличением предела прочности стали. Для этих целей можно применять дробеструйный наклеп, виброупрочнение, пневмодинамическое упрочнение, гидрогалтовку дробью, обкатку роликами, алмазное выглаживание, раскатку отверстий, наклеп пескоструйной обдувкой.
Поверхностный наклеп увеличивает сопротивление многоцикловой и малоцикловой усталости, в особенности при коррозионной усталости.
Высокопрочные стали
221
Наклеп поверхности повышает сопротивление коррозии под напряжением и устраняет появление трещин на шлифованных поверхностях при гальванических обработках.
Влияние поверхностного наклепа на свойства высокопрочных сталей показано в табл. 84 и 85.
84. Влияние поверхностного наклепа на малоцикловую усталость гладких образцов (Ra = 1,254-0,63) различных сталей (по данным Н. В. Анисимовой, С. И. Кишкиной)
Сталь кгс/мм? Максимальные напряжения цикла, кгс/мм2 Наклеп Число циклов до разрушения
ЗОХГСНА 170 136 Дробеструйный 24 600
40ХГСНЗВА 180 136 136 Без упрочнения . . Дробеструйный 7 400 22 300
136 Без упрочнения 6 900
Н18К9М5Т 215 136 Вибронаклеп . 25 100
136 Без упрочнения . . 7 400
1Х15Н4АМЗ 155 117 Вибронаклеп . 23 000
117 Без упрочнения 10 240
1Х15Н4АМЗ 155 100 Вибронаклеп . 82 220
100 Без упрочнения . . 19 870
85. Влияние поверхностного упрочнения на коррозионную усталость o_i высокопрочных сталей (по данным Э. М. Радецкой, С. И. Кишкиной)
Состояние поверхности CF-t, КГС/ММ2, стали ЗОХГСНА (Т-1, кгс/мм2, стали 40ХГСНЗВА
Воздух Водопроводная вода Воздух Водопроводная вода
Шлифованная Шлифованная (виброшлифо- 60 8 70 12
ванная) После обдувки металлическим 73 20 78 25
песком 67 40 75 40
После наклепа дробью . . 70 50 83 60
После вибролаклепа ..... 70 65 85 —
После обкатки роликом . . . После алмазного выглажи- 80 75 78 70
вания .... .... 78 76 — —
Поверхностный наклеп в значительной мере «облагораживает» сравнительно грубую поверхность после операций механической обработки, поэтому применять его экономически выгодно. Положительное влияние поверхностного наклепа объясняется созданием на поверхности благоприятных сжимающих напряжений, упрочнением поверхностного слоя в результате наклепа и улучшением, как правило, рельефа поверхности.
Наиболее эффективно благоприятное влияние поверхностного наклепа при работе высокопрочных сталей в условиях коррозионно-актив
222
Черные металлы и сплавы
ной среды. Предел выносливости при испытании в воде на изгиб с вращением в результате поверхностного наклепа возрастет в несколько раз (см. табл. 85).
Предварительный поверхностный наклеп перед гальваническим хромированием восстанавливает сопротивление усталости, которое резко понижается в результате хромирования. Так, например, числа циклов при испытании на выносливость гладких образцов стали ЗОХГСНА (ов = 170 кгс/мм2) при растяжении с максимальными напряжениями цикла' 100 кгс/мм2, по данным С. И. Кишкиной и Н. В. Анисимовой, следующие:
Обработка поверхности Шлифование Ra= = 1,25ч> е-, 0,63. Шлифование Ra = = 1,25-* <5-0,63 и хромирование Точение Ra= = 1,25-* н-0,63 и хромирование Шлифование Ra= = 1,25е н- 0,63, гидро-песко-струй-ная обработка Rz= = 20 10, хромирование Шлифование Ra = = 1,25-* <5-0,63, наклеп дробью и хромирование
Число циклов 50 129 6 94S 8 358 13 256 70 026
Толщина хромированного слоя везде примерно 60 МКМ.
Поверхностный наклеп перед хромированием высокопрочных сталей, кроме того, устраняет опасность образования мельчайших трещин под слоем хрома. Такие трещины появляются иногда в результате действия растягивающих поверхностных шлифовочных напряжений и наво-дороживания стали. Создавая значительные сжимающие напряжения на поверхности детали, поверхностный наклеп предотвращает возможность возникновения значительных растягивающих напряжений при нарушении режима шлифования.
Детали из высокопрочных сталей чувствительны к водородной хрупкости и коррозии под напряжением. Эти два вида хрупкости проявляются большей частью в так называемых процессах замедленного разрушения при действии постоянных напряжений: либо эксплуатационных, либо технологических.
В детали из среднелегированных сталей водород попадает, как правило, из ванны для гальванических покрытий, так как электролитическое осаждение металла на поверхности стали (на катоде) сопровождается адсорбцией и абсорбцией водорода. При этом поверхностные трещины или микротрещины могут возникнуть даже при самом гальваническом покрытии, если на поверхности детали имеют место растягивающие напряжения. Большей частью такие трещины возникают при эксплуатации из-за постоянно действующих растягивающих, эксплуатационных или технологических напряжений.
Наименьшее наводороживание стали происходит при хлористо-аммонийном кадмировании, значительно большее — при цианистом кадмировании и цинковании. Отпуск при 200° С, который обычно применяют для устранения или уменьшения действия водорода, приводит практически к обезводороживанию хромированных деталей. Однако цинк и кадмий препятствуют процессу обезводороживания, и поэтому
Высокопрочные стали
223
уменьшение водородной хрупкости при отпуске кадмированных и оцинкованных деталей происходит главным образом в результате диффузионного выравнивания водорода по толщине детали и уменьшения в связи с этим его концентрации в поверхностных слоях. Практика показала, что из всех видов гальванических покрытий для высокопрочных сталей допустимы только хромирование гладких поверхностей и хлористо-аммонийное кадмирование. Отпуск для обезводорюживания при 200° С для хромированных деталей достаточно производить в течение 2 ч, а для кадмированных — 12—24 ч.
Предварительная пескоструйная обработка или другие виды поверхностного наклепа существенно уменьшают чувствительность высокопрочной стали всех марок к водородной хрупкости.
Детали из высокопрочных сталей следует тщательно защищать от коррозии под напряжением, например путем грунтования с горячей сушкой и металлизации цинком. Перед грунтованием нужно применять фосфатирование, а после металлизации — окраску эмалями. Трущиеся поверхности необходимо защищать периодически добавляемой смазкой, а в ряде случаев — хромированием. Болты несъемные лучше всего ставить на сыром грунте, следует окрашивать головки и выступающую резьбовую часть. Допускается применять хлористоаммонийное кадмирование.
Особое внимание должно быть уделено защите от коррозии внутренних, плохо вентилируемых поверхностей, в особенности разных щелей, возникающих при сварке замковых соединений или узлов с подкладными кольцами.
Основной метод борьбы с коррозией внутренних полостей — их герметизация. Иногда внутренние поверхности защищают герметиками.
Поверхностный наклеп, в том числе пескоструйная обработка, существенно увеличивает сопротивление высокопрочных сталей коррозии под напряжением.
С увеличением уровня прочности увеличивается чувствительность стали к хрупкости при смачивании расплавленными легкоплавкими металлами. При этом разрушения происходят макрохрупко при контакте напряженной стали с расплавленным кадмием, оловом, свинцом, литием, цинком и различными припоями независимо от того, действуют ли на стальную деталь внешние или внутренние напряжения. Если затвердевшие легкоплавкие покрытия не образовали трещин при расплавлении, то на свойства высокопрочных сталей они почти не влияют. Для борьбы с таким видом хрупкости необходимо строго выполнять два правила: 1) все стальные детали должны работать при температурах ниже (с определенным запасом) температуры плавления покрытий; 2) пайку деталей следует производить в ненапряженном состоянии.
Сварка и сварные соединения
Несмотря на повышенное содержание углерода, среднелегированные высокопрочные стали могут свариваться с высокой степенью надежности. Наибольшая опасность при сварке заключается в склонности этих сталей к образованию холодных сварочных трещин в шве и около-шовных зонах. Такие трещины возникают при появлении в районе сварного шва неотпущенного мартенсита с сравнительно высоким содержанием углерода. Трещины часто появляются не сразу, а спустя некоторое время после окончания сварки.
224
Черные металлы и сплавы
Для исключения сварочных трещин сварку высокопрочных среднелегированных сталей следует вести, как правило, с подогревом до 200— 250° С. Немедленно после сварки нужно помещать детали в печь с температурой 650° С и прогревать их там не менее 15 мин. При этом полностью исключается появление) мартенситных структур при охлаждении.
Рис. 24. Различные виды неправильно (а) и правильно (б) спроектированных сварных соединений
Высокопрочные стали можно сваривать аргонодуговой, ручной дуговой и автоматической сварками под слоем флюса. Контактные виды сварки, как правило, не следует применять из-за трудности предотвращения сварочных трещин и защиты нахлесточных соединений от коррозии.
Для уменьшения опасности образования сварочных трещин при выборе среднелегированных сталей нужно отдавать предпочтение сталям менее легированным и содержащим меньшее количество углерода. Однако длительный опыт показал возможность надежного производства и эксплуатации сварных деталей из сталей ЗОХГСНА, ЗОХГСНМА, 30Х2ГН2СВМА, 40ХГСНЗВА.
Высокопрочные стали
225
На работоспособность сварных соединений из высокопрочных сталей большое влияние оказывает форма сварного шва. Снятие усиления шва, как показано на рис. 24, приводит примерно к трехкратному увеличению долговечности при малоцикловой усталости. Нельзя эксплуатировать конструкции, где были допущены непровары. Это неизбежно приводит к резкой потере долговечности. Наиболее надежно работают сварные швы, удаленные от места поворота силового потока. В зоне сварных швов не должно быть перепадов сечений, которые неизбежно приводят к концентрации напряжений. Примеры правильных и неправильных конструкций сварных соединений из высокопрочных сталей приведены на рис. 4.
Расчетные (разрушающие) напряжения на сварные швы в изделиях из высокопрочных сталей следует понижать до уровня не более 120 кгс/мм2 при изгибе и 100 кгс/мм2 при растяжении. Поэтому зона сварного шва должна быть усилена по сравнению с основным металлом. Усиление должно быть достаточно широким, с плавными переходами.
В отдельных случаях допускается сварка элементов, предварительно термически упрочненных. В этом случае в качестве присадочной проволоки рекомендуется использовать электроды из аустенитных сталей. Расчетный предел прочности должен быть не более 50—55 кгс/мм2.
При сварке предварительно закаленных элементов предварительный подогрев и последующий нагрев после сварки производят при 200° С.
Интенсивно стареющая (мартенситностареющая) сталь Н18К9М5Т
За последние годы достигнуты серьезные успехи в разработке и освоении высокопрочных мартенситностареющих сталей, упрочняемых путем нагрева до 450—550° С. Основными достоинствами этих сталей являются способность упрочняться старением практически без поводки, значительно меньшая чувствительность, чем у среднелегированных высокопрочных сталей, к острым надрезам и трещинам, работоспособность до 450° С и хорошая свариваемость, в том числе и в упрочненном состоянии.
Мартенситностареющие стали содержат весьма малое количество углерода, максимально возможное количество никеля, а также во многих случаях молибден. В качестве элементов, вызывающих упрочнение при старении, большей частью используются Ti, Al, Си, Мо и Со и в более редких случаях — Be и Si. Процесс упрочнения при старении заключается в образовании в мартенситной структуре сегрегаций в узлах дислокационной сетки, областей с упорядоченной структурой или весьма дисперсных выделений фаз, когерентно связанных .с основной мартенситной структурой матрицы. Такими фазами могут быть NiTi, Ni3Ti, NiAl, (NiFe) Al, Fe2Mo, (FeNiCo)2Mo и др.
Из высокопрочных мартенситностареющих наиболее широкое применение получила сталь Н18К9М5Т следующего состава: С ^0,03%, Ni^ 18%, Со ^9%, Мо^5%; Ti^ 0,5-0,6%.
Для деталей, изготовляемых из листов и прутков малого сечения (до 30 мм), термическая обработка заключается в закалке с 820° С и старении при 480—520° С. Для деталей большей толщины необходимо применять сложную термическую обработку: закалку с 1200° С, двух или трех закалок с 940° С, закалку с 820° С и старение при 520° С.
8 .. .
226
Черные металлы и сплавы
Закалку желательно производить в воде, до потемнения поверхности, и дальше охлаждать деталь на воздухе. После закалки твердость стали HRC 30, и в этом состоянии сталь довольно легко механически обрабатывать. После старения твердость повышается до HRC 52—53. Типичные характеристики свойств стали в упрочненном состоянии следующие: ов^205 кгс/мм2; о0,2^ 195 кгс/мм^; 65^ 74-10%; 454-58%;
ан З-т-7 кгс-м/см2; ударная вязкость образца с трещиной аТ, у = = 0,8-т-1,0 кгс-м/см2; предел прочности образца с надрезом радиусом 0,1 мм ов. н = 270-ь280 кгс/мм2.
Сталь Н18К9М5Т можно подвергать азотированию. При этом получается твердая и прочная сердцевина, позволяющая деталям выдерживать большие контактные и растягивающие нагрузки без разрушения азотированного слоя. Для минимального изменения размеров при азотировании целесообразно предварительное старение при температуре на 40—50° С выше температуры азотирования. Режим азотирования: 520° С (50 ч), при этом глубина слоя 0,15—0,20 мм; твердость поверхности HRC 60, а сердцевины — HRC 48—49.
Недостатки стали Н18К9М5Т — сравнительно большая стоимость, сложная термическая обработка для деталей, изготовляемых из полуфабрикатов большой толщины, и повышенное сопротивление горячей деформации.
Коррозионностойкие стали
Слабостареющая сталь 08Х15Н5Д2Т содержит С <^0,08%; Сг^ 15%; Ni^ 5%; Cu^ 2%; Ti 0,154-0,30% (листы); Ti 0,034-0,15% (прутки, поковки, штамповки и трубы). Сталь для прутков, поковок, штамповок и труб производят методом электрошла-кового или вакуумнодугового переплава.
Непосредственно после закалки у стали ов = 1154-120 кгс/мм2 (прутки, штамповки) и ов = НО кгс/мм2 (листы). Отпуск при 350° С вызывает некоторое уменьшение, а старение при 420—450° С — увеличение пределов прочности и текучести (табл. 86). При нагреве выше 450—500° С прочность стали падает.
Наиболее целесообразная технология изготовления деталей из стали 08Х15Н5Д2Т следующая: предварительный отжиг при 650° С — 3—5 ч, закалка штамповок, поковок, прутков или заготовок с 1000° С в воде * до потемнения поверхности с последующим охлаждением на воздухе. Далее следует отпуск при 350° С, полная механическая обработка (кроме посадочных мест), старение на ов^ 125 кгс/мм2 при 420—450° С.
Листы из этой стали поставляют в закаленном (нормализованном) состоянии и поэтому после формообразования подвергают только упрочняющему старению при 450° С. Для глубокой штамповки применяют нагрев заготовок до 950—1000° С, охлаждение до температуры не ниже 200° С, штамповку с охлаждением в штампе, последующее упрочнение старением при 450° С. Процессы старения происходят практически без поводок и коробления, что весьма важно для листовых деталей и механически обрабатываемых деталей сложной формы.
* Прутки 0 до 30 мм и мелкие штамповки допускается закаливать на воздухе.
Высокопрочные стали
227
86. Типичные характеристики механических свойств стали 08Х15Н5Д2Т
Полуфабрикат Термообработка ав a0i2 б» ф ан ан при —7и° С
кгс/мм2 % кгс/см2
Прутки, Закалка 118 70 14 65 20 15
штам- Закалка, отпуск 200® С 120 95 20 65 20 15
повки Закалка, отпуск 350® С . . Закалка, старение 415 — 113 97 18 70 18 13
450° С 130 110 18 58 14 6
Отпуск 600-620° С (3 ч) 92 72 15 70 25 15
Отжиг 650° С ...... 100 80 15
Листы, Закалка 120 ПО 10
ленты Закалка, старение 450° С 140 130 11
Нагартовка 5—7% . . . .’ Нагартовка 5—7%, старе- 128 150 115 7 — — —
ние 450° С ...... . 140 8
У стали 08Х15Н5Д2Т хорошо сочетаются прочность и вязкость; это обеспечивает конструктивную надежность при работе весьма напряженных деталей. После отпуска при 600—625° С в течение 3 ч ее можно применять при криогенных температурах (до —196° С).
Сталь 08Х15Н5Д2Т хорошо сваривается в термически упрочненном состоянии без появления холодных или горячих сварочных трещин. При этом не нужен предварительный или последующий нагрев шва или сварной детали. В качестве присадочной проволоки для швов толщиной до 8 мм можно применять проволоку Св-Х15Н5Д2Т (Св-ЭП 410У-Ш). Наиболее желательно для швов всех толщин применять прочную и вязкую присадку Св-03Х12Н9М2С-ВИ (Св-ЭП 659А-ВИ). Прочность сварных соединений без последующей термической обработки ов^
110 кгс/мм2. Ударная вязкость металла шва ан = 12-5-17 кгс-м/см2 для присадки Св-03Х12Н9МГС-ВИ и ан 7 кгс-м/см2 для присадки Св-Х15Н5Д2Т.
Основные виды сварки: аргонодуговая, точечная и роликовая. Возможна дуговая сварка аустенитным электродом.
Важнейшая особенность стали 08Х15Н5Д2Т — малые поводки при сварке, в том числе сложных крупногабаритных конструкций.
При сварке необходимы меры предосторожности: соблюдение нормальной защиты аргоном при аргонодуговой сварке, недопущение попадания на сварку влажного аргона или недостаточно осушенных электродов, что может привести к наводороживанию сварных швов.
Недостаток стали 08Х15Н5Д2Т — то, что зона металла, расположенная в нескольких миллиметрах от сварного шва, подвержена коррозии. Эту зону следует тщательно защищать от коррозии лакокрасочными покрытиями. Такая зона не образуется, когда предварительно перед сваркой производят отпуск при 600—650° С или детали после сварки подвергают закалке. Однако во втором случае старение нужно производить при 350—375° С на ов 110 кгс/мм2.
*
228
Черные металлы и сплавы
Последний метод термической обработки целесообразно использовать для баллонов, работающих длительно при больших газовых давлениях.
Во избежание хрупкости, связанной с окислением границ зерен на поверхности деталей при нагревах под горячую деформацию, черную поверхность следует удалять, желательно после закалки. Это относится ко всем деталям, изготовляемым из поковок, штамповок и горячекатаных прутков. Горячепрессованные профили и горячекатаные листы могут не подвергаться обработке поверхности при условии испытаний каждой партии на изгиб. При загибе на 90° после старения на ов^ 125 кгс/мм2 с радиусом, равным трем толщинам, на поверхности не должно быть трещин.
К оррози онно стойк ие стали переходного аустенитно-мартенситного класса 07Х16Н6 и 1Х15Н4АМЗ соответственно содержат: С = 0,054-0,09%; Сг 16,25%; Ni^6,25% и С^0,13%; N^0,07%; Сг^15%; Ni^4,5%; Мо^ 3%.
Стали этого класса после закалки имеют в основном аустенитную структуру. Упрочнения достигают обычно закалкой и обработкой холодом при — (504-70)° С. При этом образуются мартенсит и 20—25% остаточного аустенита, обеспечивающие высокую вязкость и пластичность стали. Стали этого класса выплавляются заданного фазового состава (количество мартенсита и аустенита).
Типичные свойства сталей 07Х16Н6 и 1Х15Н4АМЗ приведены в табл. 87.
87. Типичные характеристики механических свойств коррозионностойких сталей переходного класса
Сталь, полуфабрикат Термическая обработка ав 6, ф а.. "ту
кгс/мм2 кгс-м/см2
07Х16Н6, прутки, поковки Закалка, обработка холодом при — 70® С, отпуск при 250—400° С 130 115 20 70 14 8
07Х16Н6, листы, ленты Закалка (мягкое состояние) .... Закалка, обработка холодом при — 70° С, отпуск при 250—400° С 100 120 30 90 30 23 16 9,5
1Х15Н4АМЗ Закалка, обработка холодом при — 70° С, отпуск при 200® С • • • То же, но отпуск при 350® С . . . 160 145 125 115 20 21 60 65 15 17 8 9
У обеих сталей хорошая коррозионная стойкость, в том числе и сопротивление коррозии под напряжением.
Сталь 1Х15Н4АМЗ поставляют в виде поковок и штамповок, сталь 07Х16Н6 — в виде листа ленты, сварочной проволоки, прутков и штамповок.
Коррозионностойкие стали и сплавы.
229
Сталь 07Х16Н6 в мягком (закаленном) состоянии хорошо штампуется. Обе стали хорошо свариваются, без обязательного предварительного или последующего нагрева. Присадка для сварных швов, не подвергаемых термической обработке, 08Х20Н10Г6, для термически упрочняемых швов стали 07Х16Н6—проволока 07Х16Н6или Св-03Х12Н9М2С, для 1Х15Н4АМЗ — СВ-Х15Н4АМЗ или Св-03Х12Н9М2С.
Для борьбы с водородом, содержащимся в стали в результате металлургического производства, рекомендуется все детали из прутков, поковок и штамповок, в особенности крупного сечения, а также детали, подвергающиеся действию постоянно приложенных напряжений, отпускать при 520° С в течение 10—20 ч в зависимости от сечения. Отпуск следует производить после отжига до закалки в минимальном сечении.
Весьма эффективно увеличивают усталостную прочность путем поверхностного наклепа. Черная поверхность на деталях, оставшаяся в результате нагрева под горячую деформацию, уменьшает сопротивление усталости, и поэтому ее необходимо удалять.
Стали переходного класса рекомендуется применять там, где нужно сочетание высокой прочности, вязкости, пластичности, свариваемости и коррозионной стойкости.
КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ
Общие сведения
Стойкость сталей и сплавов этого класса против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др. определяется в первую очередь их составом.
Однако большое влияние на служебные свойства сталей и сплавов оказывают также термическая обработка, сварка, горячая пластическая деформация, качество поверхности металла и другие факторы.
В зависимости от основной структуры, полученной при охлаждении на воздухе после высокотемпературного нагрева, эти стали и сплавы подразделяют на следующие классы:
1) мартенситный — стали с основной структурой мартенсита (хромистые стали с 12—17% Сг, содержащие >0,15 С, специальные добавки Мо, W, V и небольшое количество Ni —до 3%);
2) мартенситно-ферритный —стали, содержащие в структуре кроме мартенсита не менее 10% феррита (хромистые стали с 13—18% Сг и низким содержанием С — до 0,15%, в ряде случаев с добавками AI, Ti, Ni, Si);
3) ферритный — стали, имеющие структуру феррита без a -/-превращений (хромистые стали с 13—30% Сг, низким содержанием С — до 0,15%, добавками Ti 0,5%, иногда также Nb, Si, Мо, Al);
4) аустенитно-мартенситный — стали, имеющие структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно изменять в широких пределах (хромоникелевые стали, содержащие 12—18% Сг, 4—9% Ni, добавки А1, Мо и хромомарганцевоникелевые стали);
5) аустенитно-ферритный — стали, содержащие в структуре кроме аустенита не менее 10% феррита (хромоникелевые и хромомарганцево-никелевые стали с добавками Ti, Мо и других легирующих элементов);
230
Черные металлы и сплавы
6) аустенитный — стали, имеющие структуру аустенита (хромоникелевые стали с содержанием 18% Сг, 10% Ni и другие, нестабилизиро-ванные и стабилизированные Ti или Nb, в ряде случаев с добавками Мо, а также хромомарганцевоникелевые стали, в том числе с добавками N);
7) сплавы на никелевой основе с повышенным содержанием Мо, Сг и других элементов, имеющих структуру, подобную аустенитным сталям.
Коррозионностойкие (нержавеющие) стали в соответствии с ГОСТами поставляют в виде следующего сортамента:
ГОСТ 7350—66* — сталь толстолистовая высоколегированная, коррозионностойкая, кислотостойкая и окалиностойкая;
ГОСТ 5582—61* — сталь тонколистовая коррозионностойкая и жаростойкая;
ГОСТ 9940—72* — трубы бесшовные горячекатаные из коррозионностойкой стали;
ГОСТ 9941—72* — трубы бесшовные холоднокатаные, холоднотянутые из коррозионностойкой стали;
ГОСТ 2176—67 — отливки из высоколегированной стали со специальными свойствами.
Хромистые стали мартенситного, мартенситно-ферритного и ферритного классов
Коррозионностойкие хромистые стали можно разделить на три группы: с фазовым превращением (мартенситный класс); с частичным фазовым превращением (мартенситно-ферритный класс); без фазовых превращений (ферритный класс).
Механические, физические, коррозионные и технологические свойства, а в соответствии с этим и области применения хромистых сталей зависят от их химического состава и структуры (табл. 88, 89).
Эти стали применяют в различных отраслях промышленности: для клапанов гидравлических прессов, турбин, лопаток, арматуры крекинг-установок, карбюраторных игл, шарикоподшипников и втулок для нефтяного оборудования, режущего, мерительного и хирургического инструмента, оборудования заводов пищевой и легкой промышленности, предметов домашнего обихода и кухонной утвари и др.
Широкое практическое применение получили следующие хромистые коррозионностойкие стали.
1. Хромистые стали мартенситного класса 20X13, 30X13, 40X13. В этих сталях содержится ~13% Сг, что соответствует минимальному его содержанию, обеспечивающему повышенную коррозионную стойкость. Эти стали применяют преимущественно в термически обработанном состоянии, часто с тщательно шлифованной, а иногда и полированной поверхностью.
Структура и свойства этих сталей в значительной степени зависят от содержания в них углерода: с понижением содержания углерода в этих сталях появляется структурно свободный феррит, ухудшающий механические свойства, и они переходят из мартенситного в мартенситно-ферритный (сталь 12X13) и даже чисто ферритный (сталь 08X13) классы;
88. Химический состав (%) хромистых коррозионностойких сталей (ГОСТ 5632—72)*♦
Сталь С Si Мп Сг Ni Ti Nb S Р
Не С олее Не более
Стали мартенситного класса
20X13 0,16—0,25 0,8 0,8 12,0—14,0 — — — 0,025 0,030
30X13 0,26—0,35 0,8 0,8 12,0—14,0 — — — 0,025 0,030
40X13 0,36—0,45 0,8 0.8 12,0—14,0 — — — 0,025 0,030
25Х13Н2 0,20—0,30 0,5 0,8- 12,0—14,0 1,5 —2,0 — 0,15—0,25 0,08—0,15
1,2
20Х17Н2 0,17—0,25 0,8 0,8 16,0—18,0 1,5-2,50 — — 0,025 0,035
95X18 0,09—1,00 0,8 0,8 17,0—19,0 — — — 0,025 0,030
09Х16Н4Б 0,05-0,13 0,6 0,5 15,0—18,0 3,5 —4,5 — 0,05 — 0,20 0,025 0,030
Стали мартенситно-ферритного класса
12X13 I 0,09-0,15 I 0,8 I 0,8 I 12,0-14,0 1 - 1 I 0,025 0,030
14XI7H2 | 0,14 — 0,17 1 0,8 1 0,8 1 16,0—18,0 [ 1,5—2,5 1 - | 0,025 | 0,030
Стали ферритного класса
08X13 <0,08 0,8 0,8 12,0—14,0 — — — 0,025 0,030
12X17 <0,12 0,8 0,8 16,0—18,0 — — — 0,025 0,035
08Х17Т <0,08 0,8 0,8 16,0—18,0 — 5.С—0,80 — 0,025 0,035
15Х25Т <0,15 1,0 0,8 24,0—27,0 — 5.С—0,90 — 0,025 0,035
15X28 <0,15 1,0 0,8 27,0—30,0 — — — 0,025 0.035
Коррозионностойкие стали и сплавы
232
Черные металлы и сплавы
89. Характеристики механических свойств и режимы термической обработки хромистых коррозионностойких сталей мартенситного, мартенситно-ферритного и ферритного классов
Сталь Режим термической обработки, температура (°C), среда охлаждения °в °0,2 ан» кге м см9
кгс/мм2 %
Не менее
08X13 Закалка, 1000—1050. мае* ло; отпуск, 700—800, масло 60 42 20 60 10
12X13 Закалка, 1000—1050, воздух или масло; отпуск, 700—790, воздух, масло или вода 60 42 20 60 9
20X13 Закалка, 1000—1050, воздух или масло; отпуск, 660—770, воздух, масло или вода 66 45 16 55 8
30X13 Закалка 950—1020, масло; отпуск, 200—300, воздух или масло Твердость HRC > 48
40X13 Закалка, 1000—1050, масло; отпуск, 200—300, воздух или масло Твердость Н RC 50
14Х17Н2 Закалка, 975—1040, масло; отпуск 275—350, воздух 110 85 10 30 5
Закалка, 975—1040 масло, отпуск, 500 — 530, воздух 120 90 12 4
20Х17Н2 Закалка, 975—1050, масло; обработка холодом, —70, отпуск, 275 — 350, воздух 150 125 7 — 3
95X18 Закалка, 1000—1050, масло; отпуск, 200—300, воздух или масло Твердость Н RC > 55
09Х16Н4Б Закалка, 1030—1050, воздух или масло; отпуск, 600—620, воздух 120 90 8 40 6
Закалка, 970 — 980, воздух или масло; отпуск, 300 — 370, воздух Высокая стойкость против коррозии
12X17 Отжиг, 760 — 780, воздух 1 или вода 40 25 20 50 -
08Х17Т Отжиг, 760—780, воздух 50 30 20 45
15Х25Т 15X28 Отжиг, 680—770, воздух или вода; без термической обработки 45 30 20 45 —
Коррозионностойкие стали и сплавы
233
коррозионная стойкость их при этом несколько повышается. С повышением содержания углерода снижается коррозионная стойкость и, кроме того, возрастает хрупкость.
2. Хромоникелевая сталь 20Х17Н2 мартенситного класса, имеет более высокие механические свойства и коррозионную стойкость, чем у 13%-ных хромистых сталей; эта сталь хорошо поддается горячей и холодной штамповке, обрабатывается резанием, сваривается всеми видами сварки; твердость поверхностного слоя изделий из стали 20X17Н2 при необходимости можно повысить до ИКС 58—60 путем газового цианирования или цементации.
3. 17%-ные хромистые стали ферритного класса 12X17 и 08X17Т применяются в отожженном состоянии; у этих сталей удовлетворительная пластичность в горячем и в холодном состоянии; однако вследствие пониженной пластичности сварных соединений, связанной с ростом зерна в зонах, прилегающих к сварному шву, в результате воздействия высоких температур при сварке и пониженной коррозионной стойкости зон, расположенных вблизи сварных швов, изделия из этих сталей изготовляют преимущественно без применения сварки; введение в 17%-ную хромистую сталь Ti, связывающего углерод в карбиды (TiC), способствует повышению сопротивляемости межкристаллитной коррозии (сталь 08Х17Т).
4. Высокохромистые стали ферритного класса 15Х25Т, 15Х28Т обладают высокой стойкостью в сильно-агрессивных средах; ввиду повышенной склонности этих сталей к росту зерна необходимо, чтобы начало прокатки было при температуре не выше 1000—1020° С и чтобы скорость сварки и охлаждения сварного шва и околошовной зоны была по возможности высокой; соблюдение этих условий также способствует повышению стойкости сталей к межкристаллитной коррозии.
Высокохромистые стали при нагреве в интервале температур 400— 500° С склонны к охрупчиванию, которое проявляется в снижении ударной вязкости, относительного удлинения и в росте твердости.
Высокопрочные хромоникелевые стали аустенитно-мартенситного класса
Стали этого класса применяют в качестве конструкционного материала в различных областях техники, когда требуется сочетание высокой прочности и свариваемости при достаточной пластичности (см. табл. 90, 91).
Механические и физические свойства этих сталей зависят от количества аустенита, превращенного в мартенсит, и ряда вторичных процессов, связанных с образованием интерметаллидных или карбидных фаз, оказывающих дополнительное и часто значительное влияние на упрочнение сталей.
Легирующие компоненты (Мо, Al, Ti, Си, Si и др.) либо способствуют выделению указанных выше упрочняющих фаз в a-фазе, либо участвуют в их образовании в процессе старения.
Высокие прочностные свойства стали этого класса получают благодаря комплексной термической обработке, состоящей из закалки или нормализации при температурах 925—1050° С, обработки холодом при —70° С или высокого отпуска для дестабилизации аустенита при 745— 775° С и старения при 350—500° С с охлаждением на воздухе.
90. Химический состав (%) и назначение высокопрочных коррозионностойких сталей аустенитно-мартенситного класса (ГОСТ 5G32 —72)
Сталь С Si Мп Сг Ni Al Мо S Р Назначение
Не более Не более
20Х13Н4Г9 0.15 — 0,30 0,8 8,0— 10,0 12,0— 14,0 3,7—4,7 — — 0,025 «0,050 Заменитель холоднокатаной стали марок 12Х18Н9 и I7X18H9 для прочных и легких конструкций, соединенных точечной электросваркой
09Х15Н8Ю ^0,09 0,8 0,8 14,0— 16,0 • 7,0-9,4 0,7—1,3 — 0,025 0,035 Как высокопрочная сталь — для изделий, работающих в атмосферных условиях, уксуснокислой и других солевых средах, и для упругих элементов
07Х16Н6 0,05 — 0,09 0,8 0,8 15,5 — 17,5 5,0—8,0 — — 0,020 0,035 То же. Не имеет б-феррита
08Х17Н5МЗ 0,06—0,10 0,8 0,8 16,0— 17,5 4,5—5,5 — 3,0—3,5 0,020 0,035 То же, что и сталь , марки 09Х15Н8Ю, и для сернокислых сред
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 90
Сталь С Si Мп Сг N1 А1 Мо s 1 - Назначение
Не более Не более
09Х17Н7Ю <0,09 0,8 0,8 16,0— 17,5 7,0—8,0 0,5—0,8 — 0,020 0,030 Для крыльевых устройств, рулей, кронштейнов, работающих в морской воде
09Х17Н7Ю1 <0,09 0,8 0,8 16,5— 18,0 6,5-7,5 0,7—1,1 — 0,025 0,035 Для судовых валов, работающих в морской воде
06Х16Н7М2Ю * <0,09 0,7 0,7 15.0— 16,5 6,5 —7,5 0,5-1,0 1,0-2,0 0,030 0,030 Рекомендуется для дисков распыливающих сушилок при сушке двойного суперфосфата, клапанных пластин в компрессорах конвертированного газа, плунжеров и пружин карбоматных насосов
03Х14Н7В ** <0,03 0,7 0,7 13,5 — 15,0 6,0 —7,2 — 0,4 —0,8 W 0,020 0,030 Рекомендуется для валов погружных центробежных насосов, работающих в нефтяных скважинах
* Химический состав указан по ЧМТУ 1-612—69. ** Химический состав указан по ТУ/ЗМЗ 78—70.
Коррозионностойкие стали и сплавы
91. Характеристики механических свойств и режимы термической обработки высокопрочных коррозионностойких сталей аустенитно-мартенситного класса
Сталь Полуфабрикат Режим термической обработки, температура °C, среда охлаждения (время выдержки, ч) ав °0,2 ф ан» кгс-м см2 ГОСТ или ТУ
кгс/мм2 %
Не менее
20Х13Н4Г9 Пруток Закалка, 1070—1130, воздух 65 25 35 55 — ГОСТ 5949-61
Лист •Закалка, 1050—1080, вода или воздух 65 — 40 — — ГОСТ 5582 — 61
09Х15Н8Ю Пруток Нормализация, 925 — 975, воздух или вода; обработка холодом, —70 (2); отпуск 375 — 500 (1) 120 90 10 45 4 ГОСТ 5949—61; ЧМТУ ЦНИИЧМ 194 — 59
Лист Нормализация, 1040—1080 110 — 20 — — ГОСТ 5582 — 61; ЧМТУ ЦНИИЧМ 1113—64
07Х16Н6 Пруток Закалка, 975—1000, вода; обработка холодом, — 70 (2); отпуск 350— 425 (1) ПО 90 12 50 7,0 ЧМТУ ЦНИИЧМ 1184 — 62
Лист Нормализация, 975, вода; обработка холодом, — 70 (2); отпуск 350— 425 (1) 110 85 12 — — ЧМТУ ЦНИИЧМ 1184 — 64
Черные Металлы и сплавы
Продолжение табл. 91
"Сталь Полуфабрикат Режим термической обработки, температура °C, среда охлаждения (время выдержкй, ч) ав а0.2 б. ан’ -кгс-м см2 ГОСТ или ТУ
кгс/мм2 %
Не менее
08Х17Н5МЗ Пруток Нормализация, 940—950; обработка холодом, — 70 (2); отпуск 425 (1) 120 85 12 50 6 ЧМТУ ЦНИИЧМ 194—59
Лист Закалка, 930—940, воздух или вода; обработка холодом, — 70 (2); отпуск 440—460 (1) 120 80 8 — — ЧМТУ ЦНИИЧМ 317 — 60 325—60
09Х17Н7Ю Лист Закалка, 1030—1070, воздух; первый отпуск — 740 — 760, воздух или вода; второй отпуск, 580 — 680, воздух 85 75 12 40 5 ГОСТ 7350-66*
09Х17Н7Ю1 Пруток Закалка, 1030—1070, воздух; первый отпуск 740— 760, воздух или вода; второй отпуск, 550 — 600, воздух 85 75 12 40 5 ГОСТ 5949 — 61*
06Х16Н7М2Ю Пруток Закалка, 940—960, воздух; обработка холодом — 70 (2); отпуск 400 (3) 110 90 10 40 4 ЧМТУ 1-612 — 69
03Х17Н7В Пруток Закалка, 900, воздух; отпуск 400 (2/ 110 100 12 55 6 ТУ/ЗМЗ 78—70
Без термической обработки 90 80 12 55 6
Коррозионностойкие стали и сплавы
238
Черные металлы и сплавы
В случае применения этих сталей для изготовления прецизионных упругих элементов приборов с целью их упрочнения наряду с указанной термической обработкой целесообразно использовать термомеханиче-(кую обработку (ВТМО, холодную пластическую деформацию и т. д.) или двойное старение при температурах 450 и 400° С.
После полного цикла термической обработки коэффициент прочности сварного соединения этих сталей не ниже 0,9.
Хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали аустенитно-ферритного и аустенитного классов
Стали этого типа получили широкое применение в различных отраслях промышленности в качестве коррозионностойкого и окалиностойкого материала. Это объясняется прочностью, высокой пластичностью, немагнитностью, повышенными механическими свойствами при высоких температурах, хорошей свариваемостью, а также высокой прочностью и пластичностью в сварных соединениях.
В табл. 92, 93 указаны химический состав этих сталей, механические свойства и режимы термической обработки.
Стали аустенитно-ферритного класса
Стали аустенитно-ферритного класса, характеризующиеся высоким содержанием хрома (18—22%) и пониженным (экономным) содержанием никеля (до 4—6%, а в отдельных случаях до 2%), имеют двухфазную аустенитно-ферритную структуру. Дополнительные легирующие элементы — Мо, Си, Ti (Nb). Химический состав этих сталей таков, что соотношение аустенита и феррита после оптимальной термической обработки составляет примерно 1:1.
У сталей аустенитно-ферритного класса ряд преимуществ по сравнению с аустенитными сталями: более высокая (в 1,5—2 раза) прочность при удовлетворительной пластичности и сопротивляемости действию ударных нагрузок, большая стойкость против межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания.
Недостаток сталей аустенитно-ферритного класса — склонность к охрупчиванию в результате нагрева в интервале температур 400— 750° С, при которых их эксплуатация не рекомендуется.
Хромоникелевые стали аустенитного класса
По объему производства в стране и за рубежом ведущее место занимают аустенитные стали 12Х18Н10Т (08Х18Н10Т) и 10Х17Н13М2Т, которые имеют высокую коррозионную стойкость в широком диапазоне агрессивных сред и отличаются хорошей технологичностью.
Наиболее высокую коррозионную стойкость и пластичность стали этого типа приобретают в результате термической обработки, состоящей из нагрева до 1000—1050° С и быстрого охлаждения на воздухе или в воде. После такой обработки стали имеют однородную структуру аустенита.
92. Характеристики механических свойств и режимы термической обработки коррозионностойких сталей аустенитно-ферритного и аустенитного классов
Стали Режим закалки: температура нагрева (°C) и среда охлаждения ав а0»2 «5 м>
кгс/мм8 %
Не менее
08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 08Х21Н6М2Т Закалка, 950—1050, воздух или вода 60—70 35 16 — 25 45
10Х14Г14Н4Т, 15ХН17АГ14, 12Х17Г9АН4 Закалка, 1000—1100, воздух, масло или вода 65-70 25 — 35 35-40 50 — 55
08Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М2Т, 10X17H13M3T, 08Х17Н15МЗТ, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 12Х18Н9Т, 04Х18Н10, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 06Х18Н11, 08X18HI2T, 12Х18Н12Т, 08Х18Н12Б Закалка, 1050—1100, воздух, масло или вода 45-58 i 1 16-22 35 — 43 40 — 55
Коррозионностойкие стали и сплавы
240
Черные металлы и сплавы
93. Химический состав (%) хромоникелевых и хромо аустенитно-ферритного и аусте
Сталь С S1 Мп Сг N1
Стали аустенитно-
08Х22Н6Т <0,08 <0,8 <0,8 21,0—23,0 5,3—6,3
12Х21Н5Т 0,09—0,14 <0,8 <0,8 20,0—22,0 4,8—5,8
08Х21Н6М2Т <0,08 <0,8 <0,8 20,0—22,0 5,5 —6,5
08Х18Г8Н2Т <0,08 <0,8 7,0—9,0 17,0—19,0 1,8—2,8
15Х18Н12С4ТЮ 0,12—0,17 3,8—4,5 0,5—1,0 17,0—19,0 11,0—13,0
Стали аусте
08Х10Н20Т2 <0,08 <0,8 <2,0 10,0—12,0 18,0—20,0
10Х14Г14НЗ 0,09—0,14 <0,7 13,0—15,0 12,5—14,0 2,8—3,5
10Х14Г14Н4Т <0,10 <0,8 13,0—15,0 13,0—15,0 2,8—4,5
10Х14АГ15 <0,10 <0,8 14,5—16,5 13,0—15,0 —
03X16H15M3 <0,03 <0,6 <0,8 15,0—17,0 14,0—16,0
ОЗХ16Н15МЗБ <0,03 <0,6 <0,8 15,0—17,0 14,0—16,0
15Х17АГ14 <0,15 <0,8 13,5—15,5 16,0—18,0 <0,6
12Х17Г9АН4 <0,12 <0,8 8,0—10,5 16,0—18,0 3,5—4,5
03Х17Н14М2 <0,03 <0,8 1,0—2,0 16,0—18,0 13,0—15,0
08Х17Н13М2Т <0,08 <0,8 <2,0 16,0—18,0 12,0—14,0
10Х17Н13М2Т <0,10 <0,8* <2,0 16,0 — 18,0 12,0—14,0
10X17H13M3T <0,10 <0,8 <2,0 16,0—18,0 12,0—14,0
08Х17Н15МЗТ <0,08 <0,8 <2,0 16,0—18,0 14,0—16,0
12Х18Н9 <0,12 <0,8 <2,0 17,0—19,0 8,0—10,0
17Х18Н9 0,13—0,21 <0,8 <2,0 17,0—19,0 8,0—10,0
12Х18Н9Т <0,12 <0,8 <2,0 17,0—19,0 8,0-9,5
04Х18Н10 <0,04 <0,8 <2,0 17,0—19,0 9.0—11,0
08Х18Н10 <0,08 <0,8 <2,0 17,0—19,0 9,0—11,0
08Х18Н10Т <0,08 <0,8 <2,0 17,0—19,0 9,0—11,0
12Х18Н10Т <0,12 <0,8 <2,0 17,0—19,0 9,0—11,0
12Х18Н10Е <0,12 <0,8 <2,0 17,0—19,0 9,0—11,0
03Х18Н11 <0,03 <0,8 <2,0 17,0—19,0 10,5—12,5
06Х18Н11 <0,06 <0,8 <2,0 17,0—19,0 10,0—12,0
03Х18Н12 <0,03 <0.4 <0,4 17,0—19,0 11,5—13,0
08Х18Н12Т <0,08 <0,8 <2,0 17,0—19,0 11,0—13,0
12Х18Н12Т <0,12 <0,8 <2,0 17,0—19,0 11,0—13,0
08Х18Н12Б <0,08 <0,8 <2„0 17,0—19,0 11,0—13,0
07Х21Г7АН5 <0,07 <0,7 6,0—7,5 19,5—21,0 5,0—6,0
03Х21Н21М4ГБ <0,03 <0,6 1,8-2,5 20,0 — 22,0 20,0—22,0
Коррозионностойкие стали и сплавы
241
марганцевоникелевых коррозионностойких сталей нитного классов (ГОСТ 5632—72)
Ti А1 Мо Nb S Р Прочие элементы
Не С >олее
ферритное 5.С—0,65 ? класса 0,025 0,035
0,25—0,50 — — — 0,025 0,035 —
0,20—0,40 — 1,8—2,5 — 0,025 0.035 •
0,20—0,50 — — — 0,025 0,035 —
0,4—0,7 0,13—0,35 — — 0,030 0,035 —
Humhoeo kj 1,5—2,5 юсса <1,0 0,030 z 0,035
— — — — 0,020 0,035 —
5 (С— — 0,020 0,035
0,02) —0,6 0,030 0,045 N
2,5—3,0 0,015 0,020 0,15 — 0,25
— — 2,5—3,5 0,25—0,50 0,015 0,020 —
— 0,020 0,035 N
0,020 0,035 0,25—0,37 N
2,0 —2,8 0,020 0,035 0,15-0,25
5.С—0,7 — 2,0 —3,0 — 0,020 0,035 —
5.С—0,7 — 2,0—3,0 — 0,020 0,035 —
5.С—0,7 — 3,0—4,0 — 0,020 0,035 —
0,3—0,6 — 3,0—4,0 0,020 0,035 —
— — — — 0,020 0,035 —
— — — 0,020 0,035 —
5. С—0,8 —. — — 0,020 0,035 •—
— — — 0,020 0,035
— — — 0,020 0,635 —
5.С-0,7 — — — 0,020 0,035 —
5.С—0,8 — — 0,020 0,035 —
0,020 0,035 Se
0,020 0,035 0,18—0,35
— — — — 0,020 0,035
0,005 — — — 0,020 0,035
б.С-0,6 — — — 0,020 0,035
5.С—0,7 — — — 0,020 0,035
— — — 10.С—1,1 0,020 0,035
0,030 0,030 N
— — 3,4—3,7 15.С—0,8 0,020 0,030 0,15—0,25
242
Черные металлы и сплавы
В стали, содержащие 18% Сг и 10% Ni, обычно вводят сильные карбидообразующие элементы (титан и ниобий), которые связывают углерод, являющийся вредной примесью.
У аустенитных сталей с низким содержанием (~0,03%) углерода 03Х18Н12 и 03Х19Н11 наблюдаются более высокое сопротивление межкристаллитной и ножевой коррозии после сварки, а также повышенная коррозионная стойкость в азотной кислоте высоких концентраций и в других агрессивных средах, что определяет их применение для изготовления химической аппаратуры, работающей в тяжелых условиях производства. Кроме того, отсутствие карбидных и карбонитридных включений в стали с низким содержанием углерода обусловливает ее повышенные пластические свойства, высокую способность к полированию и хорошую свариваемость.
Хромоникелевые стали с молибденом (08Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М2Т, 08X18H13M3T, 10X17H13M3T, 03Х17Н14М2, 08Х17Н15МЗТ) отличаются повышенной коррозионной стойкостью в таких агрессивных средах, как например, органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная, щавелевая), а также морская вода и некоторые другие. Однако у сталей, содержащих молибден, больше чем у хромоникелевых склонность к охрупчиванию в результате нагрева при 600—750° С вследствие образования о-фазы. Присутствие ферритной фазы в этих сталях снижает их коррозионную стойкость в азотной кислоте повышенных концентраций.
Из хромоникелевых сталей с молибденом применяют также сталь 03Х21Н21М4ГБ, из которой изготовляют детали, работающие в растворах фосфорной кислоты. В настоящее время эта сталь — основной конструкционный материал для изготовления сварного оборудования в производстве фосфорных минеральных удобрений, в процессе получения которых образуется экстракционная фосфорная кислота (32% Р2О5, температура до 60° С) с примесями фтора.
Хромомарганцевоникелевые и безникелевые стали аустенитного класса
Для экономии никеля за последние 10—15 лет в СССР выпускают экономнолегированные никелем и безникелевые стали, заменители марок 12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т.
Аустенитная структура этих сталей обеспечивается дополнительным введением марганца или марганца с азотом вместо никеля (стали 10Х14Г14НЗ, 10Х14Г14Н4Т, 10Х14АГ15, 15Х17АГ14, 12Х17Г9АН4, 07Х21Г7АН5).
В связи с несколько пониженным содержанием хрома, а также частичной или полной заменой никеля коррозионная стойкость хромо-марганцевоникелевых и безникелевых сталей ниже, чем у сталей, содержащих 18% Сг и 10% Ni. Несмотря на это, они достаточно широко применяются в народном хозяйстве для изготовления бытовых приборов, торгового и пищевого оборудования, пассажирских вагонов, установок для сжижения газов и пр.
У стали 10Х14Г14Н4Т невысокий предел текучести в термически обработанном состоянии и большее упрочнение при холодной деформации, чем у сталей, содержащих 18% Сг и 10% Ni. Стали 10Х14Г14Н4Т и 07Х21Г7АН5 применяют в конструкциях, эксплуатируемых при криогенных температурах.
Коррозионностойкие стали и сплавы
243
Коррозионностойкие (кислотостойкие) сплавы
В табл. 94, 95 приведены химические составы кислотостойких сплавов на железоникелевой и никелевой основах, их механические свойства, режимы термической обработки и горячей обработки давлением.
Сплавы 06ХН28МДТ и 03ХН28МДТ на железо-никелевой основе, легированные Сг, Мо, Си и стабилизированные Ti, применяют в агрессивных средах, содержащих серную, азотную кислоты и их смеси,, в целлюлозно-бумажной промышленности, производстве минеральных удобрений и т. д.
Недостаток этих сплавов — их относительно высокая склонность к межкристаллитной коррозии, возникающей в зоне термического влияния сварных соединений или после дополнительного нагрева в интервале умеренных температур. В результате термической обработки, а также с понижением содержания углерода (сплав 03ХН28МДТ) сопротивляемость межкристаллитной коррозии повышается.
В особо агрессивных средах применяют сплавы Н70МФ и ХН65МВ.
Сплав Н70МФ на никель-молибденовой основе характеризуется высокой прочностью и коррозионной стойкостью в серной кислоте при температуре 70° С, соляной кислоте в интервале всех концентраций и температур, в фосфорной кислоте и др. Введение в сплавы ванадия уменьшает их склонность к межкристаллитной коррозии после нагрева при 600—800° С и устраняет их восприимчивость к ножевой коррозии. Максимальное сопротивление коррозии сплав приобретает после закалки в воде или на воздухе при температуре 1050—1150° С. Сплав удовлетворительно деформируется в холодном состоянии и обрабатывается резанием, сваривается аргонодуговым методом.
В химической промышленности сплав применяют для изготовления реакторов, деталей насосов, теплообменников, чехлов термопар и др., в нефтеперерабатывающей промышленности для аналогичного оборудования, подвергающегося воздействию минеральных и органических кислот; в фармацевтической для изготовления нагревателей, кюветов и реакторов.
Сплав ХН65МВ на никель-хром-молибденовой основе отличается наилучшим сочетанием высокой коррозионной стойкости и сопротивляемости межкристаллитной коррозии с высокими значениями прочности и пластичности. Эти свойства сплав приобретает после закалки в воде при температуре 1000—1050° С. Сплав применяют для изготовления ректификационных колонн, пленочных испарителей, изомеризаторов, разлагателей и другого оборудования, стойкого в уксусной кислоте, окислительных средах, содержащих хлорион, и других окислительно-восстановительных средах.
Недостаток материалов Н70МФ и ХН65МВ — повышенная прочность при температурах горячей пластической деформации, что иногда ограничивает изготовление крупногабаритных изделий.
94. Химический состав (%) коррозионностойких кислотостойких сплавов (ГОСТ 5632—72) **
Сплав С Si Мп Сг Ni Т1 W Мо V Fe S | Р Не более Прочие элементы
06ХН22МДТ <0,06 <0,8 <0,8 22,0— 25,0 26,0— 29,0 - 0,5— 0,9 — 2,5 — 3,0 — Основа 0,020 0,035 Си 2,5-3,5
03ХН28МДТ <0,03 <0,8 <0,8 22,0 — 25,0 26,0— 29,0 0,5— 0,9 — 2,5 — 3,0 — Основа 0,020 0,035 Си 2,5—3,5
Н70МФ <0,05 <0,2 <0,5 <0,3 Основа — — 25,0— 29,0 1,4 — 1,7 <4,0 0,020 0,020 —
ХН65МВ <0,03 <0,15 <1,0 14,5 — 16,5 Основа — 3,0— 4,5 15,0 — 17,0 — <1,0 0,020 0,020 —
95. Режимы горячей и термической обработок, характеристики механических свойств кислотостойких сплавов
Сплав Режим горячей обработки давлением [температура (°C), среда охлаждения] Температура закалки (°C), среда а» 1 | °0,2 ан* кгс-м/см2
кгс/мм2 %
начала конца Не менее
06ХН28МДТ 03ХН28МДТ 1100—1150 850, воздух 1050—1080, вода, воздух или масло 55 25 35 10
Н70МФ ХН65МВ 1200—1220 950, воздух 1050—1100, вода 90 40 40 37
Черные металлы и сплаеы
Жаропрочные стали и сплавы
245
ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ
Жаропрочными называют стали и сплавы, сохраняющие при повышенных температурах в течение определенного времени высокую механическую прочность и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.
Жаропрочность характеризуется в основном пределами ползучести и длительной прочности. Ориентировочно о жаропрочности судят также по механическим свойствам, определяемым кратковременным испытанием на растяжение при рабочей температуре.
Дополнительные характеристики жаропрочности: длительная пластичность, релаксационная стойкость, предел выносливости, термостойкость и др.
Жаропрочность стали (сплава) определяется химическим составом и структурой. К числу элементов, повышающих жаропрочность, относятся молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, кобальт, алюминий и отчасти хром и никель. Последний, наряду с марганцем, имеет значение главным образом как аустенитообразующий элемент (поскольку аустенитная структура создает наибольшую жаропрочность стали). На жаропрочные свойства хром влияет меньше, чем многие другие элементы. Однако его присутствие в стали или сплаве наряду с алюминием и кремнием повышает их жаростойкость (окалиностойкость). Поэтому хром — обязательный компонент жаропрочных сталей и сплавов.
Классификация. К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если содержание последнего превышает 50%.
В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов жаропрочные стали могут быть низко-, средне- и высоколегированными.
В низколегированной стали суммарное содержание легирующих элементов не превышает 4—5%. Среднелегированной называется сталь с суммарным содержанием легйрующих элементов от 5 до 9%, причем содержание каждого из них не должно превышать 5%. Высоколегированной называют сталь, в которой содержание любого легирующего элемента превосходит 5%, либо суммарное содержание всех легирующих более 10%.
По микроструктуре (получаемой после охлаждения на воздухе с высокой температуры) жаропрочные стали подразделяют на семь классов: перлитный, мартенситный, мартенситно-ферритный, ферритный, аустенитно-мартенситный, аустенитно-ферритный, аустенитный.
Низколегированные стали относятся к перлитному классу, среднелегированные — к перлитному, мартенситному или мартенситно-фер-ритному, высоколегированные — к любому из перечисленных классов, кроме перлитного.
К сплавам на железоникелевой основе относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе. Суммарное содержание железа и никеля не менее 65%.
К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, содержащие не менее 50% Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6—8%).
246
Черные металлы и сплавы
Стали перлитного класса. Среди низколегированных сталей высокой жаропрочностью отличаются молибденосодержащие стали, например, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые, хромомолибде-новольфрамованадиевые, имеющие достаточно высокие сопротивление ползучести и длительную прочность при температурах до 565—580° С. Такие стали условно называют теплоустойчивыми.
Химический состав теплоустойчивых сталей перлитного класса приведен в ГОСТ 10500—63**. Они содержат 0,5—3,3% Сг; 0,25— 1,2% Мо; 0,15—0,8% V. Некоторые марки содержат 0,3—0,8% W либо Nb.
Эти стали применяют для изготовления различных деталей в котло-строении, работающих длительное время (10 000—100 000 ч) при температурах 500—580° С, в частности, для паропроводных и пароперегревательных труб, а также для проката и поковок, используемых в турбинах и паровых котлах высокого давления.
Механические свойства сортового металла из перлитных сталей, предусмотренные ГОСТ 10500—63** или существующими ТУ, а также рекомендуемые режимы термической обработки приведены в табл. 96. Механические свойства при повышенных температурах, определяемые кратковременным испытанием на растяжение, как правило, не регламентируются. Решающее значение имеют нормы длительной прочности и ползучести при рабочих температурах в зависимости от длительности службы за время 10 000—100 000 ч (см. та'бл. 97). Сведения о примерном назначении сталей перлитного класса и их рабочие температуры приведены в табл. 98.
Стали мартенситного класса содержат 4,5—12% Сг, а также в значительно меньшем количестве Ni, W, Мо, V.
Стали марок 15X5, 15Х5М, 15Х5ВФи 15Х8ВФ широко применяют для изготовления элементов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов — деталей насосов, задвижек, крепежных деталей, крекинговых труб, работающих при температурах 550—600° С. Стали этой же группы с более высоким содержанием Сг (6—10%) и с повышенным содержанием Si (2—3%) в основном применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Сталь 11X11Н2ВМФ применяют для дисков компрессоров и для других деталей, работающих при температурах до 600° С с ограниченным сроком службы.
Механические характеристики мартенситных сталей приведены в табл. 96, характеристики жаропрочности — в табл. 97.
Стали мартенситно-ферритного класса содержат в структуре кроме мартенсита 10—25% феррита. Основная легирующая добавка и в этих сталях — Сг (И—13%), наряду с которым присутствуют менее значительные присадки Ni, W, Мо, Nb, V (модифицированные хромистые стали). Их термическая обработка заключается либо в закалке с отпуском, либо в нормализации с отпуском. Механические свойства при надлежащей температуре отпуска практически равноценны. Уровень жаропрочных свойств после оптимальной термической обработки для большинства сталей мартенситно-ферритного класса также примерно одинаков. Однако наиболее высокие (при обработке на одинаковую твердость) характеристики жаропрочности при 500—600° С у стали 18Х12ВМБФР.
Эти стали изготовляют в виде сортового проката и применяют в турбостроении для лопаток и дисков турбин, а также для крепежных
96. Характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных сталей при нормальной температуре
Сталь Класс Режим термообработки Характеристики механических свойств
Температура закалки или нормализации, °C Охлаждающая среда Температура отпуска (или отжига), °C Охлаждающая среда 2WW/0JM ‘flD Q 0.2 кгс/мм2 К? % ‘Ф-
12МХ 920±10 Воздух 680 — 690 Воздух 42 26 21 45 6
15ХМ 2 900 — 920 630 — 650 — 45 28 20 45 7
12Х1МФ ж 960—980 » 740—760 Воздух 48 26 21 55 10
20ХМ S 860—880- Масло 500 — 600 > 80 60 12 50 9
25Х1МФ 880—900 » 640 — 660 > 90 75 14 50 6
25Х2М1Ф 0) 1030—1060 Воздух 680 — 720 > 90 75 10 40 3
18ХЗМВ с 960±10 Масло 660—680 » 65 45 18 — 12
20ХЗМВФ 1030—1080 » 660—700 » 90 75 12 40 8
15Х5М 950 — 980 Воздух 860+20 Воздух 45 22 20 50 12
15X5 — > 850—870 40 17 24 50 10
15Х5ВФ,* » 850—870 С печью 40 22 22 50 12
40Х9С2 * 2 > 850—870 » 75 50 15 35 —
40Х10С2М ж 1050 Воздух 750+30 Масло 95 75 10 35 >2
S или масло 80 18
30Х13Н7С2 ж' 1050 Вода, 660 — 680 Воздух 120 25 >2
0) +800 масло 90 50
11Х11Н2В2МФ СО* А. 1000—1020 Воздух 660 — 680 75 12 8
£ или масло
16Х11Н2В2МФ Б. 1000—1020 То же 550 — 590 100 85 10 45 7
20X13 1000—1030 680 — 720 Масло, воздух 66 45 16 55 8
12X13 1020—1050 Воздух 700 — 750 Масло 60 42 20 60 9
Ж ' й или масло 55
15Х11МФ 2 s=s ан со ж 9* ж 1030—1100 Воздух 700 — 740 > 70 50 15 12
15Х12ВНМФ 1000—1020 Масло 680—700 Воздух 75 60 15 45 6
18Х12ВМБФР 1050 650—700 » 75 50 14 50 6
15Х12В2МФ 1050 » 680 » 80 60 15 50 7
* Сталь применяют в отожженном состоянии.
Жаропрочные стали и сплавы
ьо
97. Пределы ползучести и длительной прочности легированных сталей перлитного и мартенситного классов, применяемых для длительной службы
ьэ
00
Сталь Класс Режим термической обработки Температура испытания, °C Длительная прочность (кгс/мм*) за время, ч Предел ползучести, кгс/мм2, соответствующий 1% деформации за время, ч
Температура закалки или нормализации, °C Охлаждающая среда Температура отпуска, °C Охлаждающая среда 10 000 100 000 10 000 100 000
12МХ 920 Воздух 680—690 Воздух 480 25 20 22 15
510 16 12 — 70
540 И 7 — 3,8
12Х1МФ 960 — 980 740 — 760 520 20 16 18 13
560 14 10,8 11,8 8,4
580 12 9—10 9 6,2
25Х1МФ 880-900 Масло 640 — 660 Вода 500 26-29 8,0
Перлитный 550 10—15 — 9,0 3,0
25Х2М1Ф 1050 Воздух 680 — 700 Воздух 550 18—22 14-48 — 7,0
18ХЗМВ 900± 10 Масло 660—680 » 450 23 16
500 to_ 12 —
550 — — 7,5 —
20ХЗМВФ 1030— 1080 660 — 700 500 34 30 18 15
550 20 16 13 10
580 14 10 5,0
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 97
Сталь Класс Режим термической обработки Температура испытания, °C Длительная прочность (кгс/мм2) за время, ч П редел ползучести, кгс/мм2, соответствующий 1% деформации за время, ч
Температура закалки или нормализации, °C Охлаждающая среда Температура отпуска, °C Охлаждающая среда 10 000 100 000 10 000 100 000
15Х5М 15Х5ВФ * 12X13 15Х12ВНМФ • 1БХ11МФ 18Х12ВМБФР 15Х12В2МФ * Сталь при) Мартенситный и мартен ситно-ферритный меняют в ото ж 950-980 1030—1050 1000 1050 1050 1050 женном состоя Воздух Масло Воздух Масло НИИ. 860±20 860±10 730-750 680 740 650 — 700 680 Воздух Воздух 480 540 500 550 600 470 500 530 550 565 580 600 550 600 560 590 620 575 600 630 18 10 12 9,0 6,5 26 22 19 25 24 19 14-16 20 10 25-30 21 — 24 14 17 15 11 15 7,5 9,2 7,0 5,2 22 19 16 22 20 16 12 13-15 22 — 26 17 — 20 11 15 13 8,5 10,5 6,5 8,5 5,0. 3,8 7,0 4,0 6,0 3,8 2,8 5,7 10 8—9 7—8 5-6 9—10 4 — 5 15 10 5 7,5 4,5
Жаропрочные стали и сплавы
ьо
со
250
Черные металлы и сплавы
98. Примерное назначение низколегированных жаропрочных сталей перлитного класса
Сталь Назначение Рабочая температура, Срок службы Температура начала интенсивного окалино-образо-вания, °C
1GM Трубы пароперегре- 500—510
12МХ вателей. паропрово- 500—510 Весьма 570
15ХМ дов и коллекторов 520—530 длитель- 570
12МХФ энергетических уста- 540—550 ный 570
12Х1МФ новок; арматура паро- 570-585 600
15Х1М1Ф вых котлов и паро- 570—585 600
12Х2МФБ 12Х2МФР проводов 585—600 600—620 630 640
18ХЗМВ Трубы для гидроге- 450—500 600
20ХЗМВФ низационных установок и нефтехимической аппаратуры 500—550 Длительный 600
20ХЗМВФ Поковки (роторы, диски), болты 530—560 600
25Х1МФ Крепежные детали 500—510 Длитель- 600
25Х2М1Ф (болты, шпильки), плоские пружины 520—550 ный 600
деталей. Ориентировочная рабочая температура для стали 15Х12ВНМФ 550—580° С, для стали 18Х12ВМБФР — 570—600° С.
Стали аустенитного класса — в основном хромоникелевые стали с содержанием Сг и Ni в пределах от 7 до 25% каждого, наряду с которыми присутствуют W, Мо, Ti, Nb и др.
Это самая многочисленная группа жаропрочных (и жаростойких) сталей (см. ГОСТ 5632—72). Вымарках этих сталей приняты следующие обозначения для лёгирующих элементов: А — N, Б — Nb, В — W, Г — Мп, К — Со, М — Мо, Н — Ni, Р — В, С — Si, Т — Ti, Ф — V, X — Сг, Ю — А1. Цифра после буквы указывает на округленное (среднемарочное) содержание этого элемента в процентах (при содержании менее 1% цифру не пишут) *. Например, марка 45Х14Н14В2М следующего состава: 0,45% С, 14% Сг, 14% Ni, 2% W и *^1% Мо.
Характеристики механических свойств сортового проката из жаропрочных аустенитных сталей, а также оптимальные режимы термической обработки приведены в табл. 99. t.
В соответствии с особенностями легированного аустенита характеристики жаропрочных свойств аустенитных сталей более высокие (см. табл. 100), чем у жаропрочных сталей перлитного или мартенситного классов.
♦ Исключение — углерод, содержание которого первые две цифры марки выражают в десятых процента.
99. Характеристики механических свойств сортового проката пз жаропрочных аустенитных сталей (при нормальной температуре)
Сталь Режимы термической обработки Характеристики механических свойств
Температура закалки, °C Охлаждающая среда Температура отпуска (старения), СС Предел прочности ав’ кгс/мм2 Предел текучести ао,2‘ кгс/мм2 Удлинение б8, о/ /0 Поперечное сужение Ф, % Ударная вязкость ан’ кгс-м/см2
10Х11Н20ТЗР 1150—1180 Воздух Масло 750 (16 ч) 85 50 10 15
10X11H23T3MP 1170—1200 Воздух 750 (16-25 4) 90 60 8 10 3
09Х14Н16Б 1110—1140 * 50 20 35 60 10
09Х14Н18В2Б 1110—1140 50 20 35 — —
09Х14Н19В2БР 1100—1150 50 22 38 50 14
09Х14Н19В2БР1 1130—1160 750 52 22 30 44 12
45Х14Н14В2М ** 820 72 32 20 35 5
37Х12Н8Г8МФБ 1140± 10 Вода 770 — 800 85 60 15 20 2,5
30Х13Г18Ф 1150± 10 700 (10 ч) 70 36 30 40 8
08Х16Н13М2Б 1100—1150 Вода, воздух 750 56 22 40 50 12
10Х17Н13М2Т 1050—1100 Вода 52 22 40 55 —
08Х17Н15МЗТ 1050-1100 Воздух 50 20 35 45 —
08Х15Н25В4ТР 1130—1150 730 — 750 75 45 20 35 8
08Х15Н25В4ТР ** 700 (16 ч) 70 40 15 30
Жаропрочные стали и сплавы
to СП
Продолжение табл. 99
Сталь Режимы термической обработки ' Характеристики механических свойств
Температура закалки,' °C Охлаждающая среда Температура отпуска (старения), °C Предел прочности ав’ кгс/мм8 Предел текучести ао»2# кгс/мм8 Удлинение бв, % Поперечное сужение Ф, % Ударная вязкость ан’ кгс-м/см8
12Х18Н9 1050—1100 Воздух, 700 (20 ч) 50 20 45 55
вода
08Х18Н10Т 1050—1100 То же 700 (20 ч) 52 20 40 55 —
12Х18Н9Т 1050—1100 700 (20 ч) 55 20 40 55 —
12Х18Н12Т 1050—1100 800 (10 ч) 55 20 40 55 —
08Х18Н12Б 1050—1100 * 50 18 40 55 —
36Х18Н25С2 1100—1150 65 35 25 40 —
30Х19Н9МВБТ 1150—1180 750 — 800 68 35 35 40 6
55Х20Н4АГ9 1160-1190 Вода 760 — 780 100 65 8 10 —
20Х20Н14С2 1000—1100 Воздух, * 60 30 35 30 —
вода
20Х23Н13 1050—1150 То же 50 30 35 50 —
20Х23Н18 1100—1150 50 20 35 50 —
20Х25Н20С2 * 1100—1150 60 30 35 50 —
* Применяются без отпуска.
” Без закалки.
Черные металлы и сплавы
Жаропрочные стали и сплавы
253
100. Пределы ползучести и длительной прочности жаропрочных аустенитных сталей, применяемых для длительной службы *
Сталь Температура, °C Длительная прочность (кгс/мм2) за время, ч Предел ползучести (кгс/мм2), соответствующий 1% деформации за время, ч
10 000 1 100 000 10 000 | | 100 000
09Х14Н16Б 600 17 12 16 10
650 И 7,7 10 6,5
700 6.5 4,0 5,5 3,7
09Х14Н18В2Б 600 18 14 12 11
650 14. 11 10,5 8,5
700 9,0 6,5 6,0 5,0
09Х14Н19В2БР 650 16,8 13 14 11
700 12,5 9,5 8,5 6,5
750 7,0 5.5 —
09Х14Н19В2БР1 600 26 23 25 17
650 21,5 19 20 14
700 17 14 12 8,5-9
15Х14Н14В2М 550 21,5 17 ' 17 9,2
600 16 12 12,5 6,8
650 11 8,5 7,0 4,0
12Х18Н10Т 600 15 11 7,5
650 8—10 — — 3 — 4
30Х19Н9МВБТ 600 24 22 — И
650 17 15 — 8,0
12Х18Н12Т 600 17,0 13,5
650 10,5 7,5 — —
08Х16Н13М2Б 600 20 15 14-17 9—12
650 13 6 * —9 10—12 5-7
700 6-7 3-5 6 2
10Х17Н13М2Т 550 28 24 11
600 18 13 11 6
650 11 7 9 5
700 4/8* 3 5,5 * 2,8 *
20Х20Н14С2 650 — 6,5
700 — 3
800 — — 1 —
20Х23Н13 550 24 20 15 6
600 19 15 7-8 *♦ 5 **
650 11 7,0 5-6 ♦* 3 **
700 6,0 3,6 3 1,4
20Х23Н18 600 15 •• 10 9 6 *♦
650 11 6 * —8 5-6 4 **-5,4
700 б ♦* —6 3,5 3,5 2,8 ** — 3,5
800 2,1 1,2—2,1 — 0,7 **—1,2
20Х25Н20С2 Почти, как у стали 20Х23Н18
• Режимы термической обработки см. табл. 99. • • Данные из зарубежных источников для сталей близкого химического состава.
254
Черные металлы и сплавы
Сталь 08Х18Н10Т применяют как жаропрочную и жаростойкую. При температуре до 600° С у стали стабильные механические свойства, она устойчива против межкристаллитной коррозии и хорошо сваривается. Сталь этой марки изготовляют в виде сортового проката, поковок, листа, труб для энергетического и химического оборудования. Аналогичные свойства у стали Х18Н12Т, которую применяют в тех же областях техники.
У комплексно-легированной стали 30Х19Н9МВБТ достаточно стабильные механические свойства и высокая длительная прочность при температурах до 650° С. Основное назначение этой стали — детали котлотурбостроения с рабочей температурой 550—600° С.
У хромоникельвольфрамовых аустенитных сталей 15Х14Н14В2М и 45Х14Н14В2М повышенные жаропрочность и сопротивление усталости при высоких температурах. Сталь 45Х14Н14В2М находит применение для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. Для длительных сроков службы при температурах 600—650° С рекомендуется сталь того же типа с пониженным содержанием С (до 0,15%) марки 15Х14Н14В2М, а также ее модификация с титаном (15Х14Н14В2МТ).
Аустенитные стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н18В2Б, 09Х14Н19В2БР и 09Х14Н19В2БР1 применяют, как правило, для изготовления деталей, работающих при температурах 650—700° С весьма длительное время. Механические свойства этих сталей при температуре 20° С похожи, но пределы длительной прочности и ползучести отличаются весьма существенно (см. табл. 99, 100). Наиболее жаропрочные из них стали 09Х14Н19В2БР1 и 09Х14Н19В2БР, которые применяют для изготовления пароперегревательных и паропроводных труб установок сверхвысокого давления.
Хромомарганцевые стали марок 37Х12Н8ГЗМФБ и 30Х13Г18Ф — заменители жаропрочных сталей с более высоким содержанием никеля. Эти стали имеют достаточно высокую длительную прочность при температурах 500—650Q С.
Сплавы на железо*никелевой основе могут быть разделены на две группы: 1) с содержанием 14—16% Сг и 32—38% Ni и 2) с содержанием 20—25% Сг и 25—45% Ni (либо Ni + Мп). Сплавы первой группы дополнительно легированы вольфрамом и титаном и обладают высокой (приблизительно равной) жаропрочностью (табл. 101). Сплавы второй группы благодаря повышенному содержанию Сг жаростойкие, по жаропрочным свойствам они уступают сплавам первой группы, например, сплав ХН38ВТ.
Сплавы ХН35ВТ, ХН35ВМТ, ХН35ВТЮ поставляют преимущественно в виде горячекатаных и кованых прутков и полос, а также поковок.,Из сплавов ХН35В5Т, ХН38ВТ и Х25Н16Г7АР в основном изготовляют горячекатаный и холоднокатаный лист и ленту, а из сплава ХН45Ю — также и трубы. В основном сплавы на железо-никелевой основе применяют для изготовления деталей паровых и газовых турбин.
Сплавы на никелевой основе (см. ГОСТ 5632 — 72**) подразделяют на две группы: 1) сплавы, применяемые преимущественно как жаропрочные, и 2) жаростойкие сплавы, обладающие необходимым минимумом жаропрочности (табл. 102).
Наиболее часто применяемые сплавы первой группы относятся к системе Ni—Сг—Ti—Al. Присутствие в этих сплавах Ti и А1 в количествах, превышающих их предельную растворимость в твердом растворе при температурах 650—950° С, позволяет достигнуть после закалки и
Жаропрочные стали и сплавы
255
101. Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на железоникелевой основе
Сталь Температура, °C Длительная прочность (кгс/мм2) за время, ч Предел ползучести *8, кгс/мм2
100 500 1000 10 000*2 100 000*2
ХН35ВМТ ХН35ВТ ХН35ВТЮ ХН35В5Т ХН38ВТ ХН45Ю ♦ * Пос; * 2 Экст * а В ск время в ч. * * Опре 650 700 800 600 650 700 600 700 750 800 650 700 750 800 900 1000 1000 1100 1200 ie оптима раполиро юбках в ‘делено н 37 28 15-17 65—68 38 — 40 30—34 21 — 24 20 8—9 3 — 4 2,0 0,9 0,5 1ЛЬНОЙ 1 1ванные числите а конич 55—58 32—34 24-30 15-18 ермичес значени ле — де еских о 29 22 10—11 32 22—23 14 52-55 28 — 32 20—27 12—16 28 20 15 5,2 0,5 0,25 кой обр (Я. форМац! бразцах 23 18 6,8 27 19-20 9,5 42—45 24 — 26 17-23 20 15 11 »аботки. 1Я в % 18 14 23 15—16 6,5 16 12 8 , в зна 21 (1/1 О4); 14 (1/106) 17 (1/ 104); 13 (1/10*) И (1/1 О4); 8 (1/106) 25 (0,2/100) 13 (0,2/100) 18 (1 /104); 13 (1/10®) 12 (1/ 1С4); 9 (1/106) 8 (1/104): 6 (1 /1 О6) 6,3 (5/100)*4 2,1 (5/100) 0,9 (5/100) менателе —
отпуска существенного эффекта дисперсионного твердения благодаря выделению дисперсных частиц интерметаллической фазы типа Ni3(Ti, А1). Такая микроструктура делает сплав устойчивым против температурного воздействия при 700—800Q С и выше.
Введение в дисперсионно-твердеющие сплавы этой группы W и Мо (в сумме до —40%), а также Nb дополнительно упрочняет твердый раствор, замедляет развитие диффузионных процессов и увеличивает количество дисперсной упрочняющей фазы. Количество дисперсной фазы увеличивают также путем увеличения суммарного содержания Ti и А1. Все это приводит к существенному возрастанию жаропрочности сплавов, что делает возможным их применение при температурах до 800—850° С и высоких напряжениях.
К особенностям состава никелевых жаропрочных сплавов относится присутствие в них небольших добавок поверхностно-активных элементов (В, Се, иногда ,Ва и Mg), способствующих рафинированию металла и упрочнению границ зерен, а также весьма небольшое содержание в них примесей (S, Р, РЬ и др.).
256
Черные металлы и сплавы
Термическая обработка этих сплавов заключается в одинарном или двойном нагреве до высоких температур (1080—1200° С) с охлаждением чаще всего на воздухе и последующем отпуске при температурах 700— 850° С. Для наибольшей стабилизации исходной структуры применительно к деталям с длительным сроком службы рекомендуется проводить многоступенчатый отпуск при постепенно понижающейся температуре.
Жаропрочные никелевые сплавы изготовляют в виде сортового проката (прутки круглого сечения) и частично в виде поковок различной конфигурации.
Основное назначение этой группы высоколегированных сплавов — изготовление рабочих лопаток и дисков газовых турбин. Диски работают при более высоких напряжениях, чем лопатки (но при несколько пониженной температуре), поэтому материал диска должен иметь высокое сопротивление ползучести (особенно на ободе) и повышенную прочность (в ступичной части).
Прочность сплавов на никелевой основе сохраняется высокой вплоть до температур 800—900° С. Так, при 800° С предел прочности наиболее легированных сплавов составляет 70—80 кгс/мм2, 100-часовая длительная прочность — 25—ЗОйсгс/мм2. В то же время характеристики пластичности 6 и ф удовлетворительны при всех температурах испытания и несколько снижаются в температурном интервале дисперсионного твердения (700—800° С). Остаточная деформация этих сплавов при испытаниях на длительную прочность при 700—800° СпорядкаЗ—10%.
В табл. 102 приведены характеристики жаропрочности никелевых сплавов.
На рис. 25 приведены характеристики механических свойств широко применяемого в авиации сплава ХН77ТЮР при кратковременном нагружении при температурах 500—900° С. Зависимость длительной прочности этого сплава и его модификации без бора ХН77ТЮ от времени дана на рис. 26.
Для длительных сроков службы наилучшее сочетание длительной прочности и пластичности у сплава ХН65ВМТЮ, получившего широкое применение как материал для лопаточного аппарата стационарных газовых турбин ГТ-6, ГТН-9, ГТК-10, ГТК-16, ГТТ-12, ГТА-18, ГТУ-25, ГТУ-100. Этот сплав — основной лопаточный материал в стационарном газотурбостроении. Кроме того, благодаря исключительно высокой релаксационной стойкости этот сплав применяют для изготовления крепежных деталей турбин.
Из жаропрочных никелевых сплавов можно получать детали методом отливки (например, точным литьем по выплавляемым моделям).
Ко второй группе относятся сплавы марок ХН70, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН78Т, ХН60В и ХН75МБТЮ, применяемые преимущественно как жаростойкие. Эти сплавы, за исключением двух последних, отличаются высоким содержанием Сг (20—30%) и практически гомогенной структурой твердого раствора после принятых режимов термической обработки (нагрев до 1000—1200QC“c охлаждением в воде или на. воздухе).
Эти сплавы выпускают в виде холоднокатаного или горячекатаного листа и применяют преимущественно для деталей газопроводных систем, работающих при умеренных напряжениях в условиях весьма высоких температур (до 1100—1200Q С). У этих деталей кроме достаточной технологичности (прокатываемость, штампуемость, свариваемость) и высокого сопротивления газовой коррозии (окалиностойкость) должно быть
Жаропрочные стали и сплавы
257
102. Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на никелевой основе 1
Сталь Температура, °C Длительная прочность (кгс/мма) за время, ч Пределы ползучести 8, кгс/мм2
100 200 300 1000 10 0002
ХН65ВМТЮ 700 >60 40 30 30 (1/10 000)
750 50 — — 33 23 20 (1/10 000)
800 30 — 20 14 12 (1/10 000)
ХН70ВМЮТ 600 78 75 74 65 53 —
700 45—50 42—47 40—45 31-35 22—24 20 (1/10 000)
800 22—25 21 — 23 19—22 14-16 _» 8 (1/10 000)
ХН70ВМТЮ 700 48—52 42 (36) — 30 (0,2/100)
800 28—30 — 21 (18) —• 17 (0,2/100)
850 18—20 —— (Ю) 17 (0,2/100)
ХН80ТБЮ 650 — 40 30—26 35 (1/10 000)
700 — — *— 27 17—18 22 (1/10 000)
ХН70МВТЮБ 700 48 42 —- — — 18 (0,2/100)
800 25 23 — — —
ХН67ВМТЮ 700 48 — 52 38—42 36—39 28 — 32 36 (1/1 000)
800 28—30 — 23—25 18—20 12—15 —
850 18—20 14—16 11 — 13 7—8
900 12—14 — 9-10 7—8 4 — 4,5 6 (1/1 000)
ХН75МБТЮ 700 16—17 15 — — —
800 8 7 — — — 4,3 (5/100) 4
900 2.9 2,2 — —- — 1,4 (5/100) 4
ХН78Т 700 10.5 — 3,2— —
3,5
800 4.5 — — 1.8 (5/100) 4
900 1,5 — — — — 0,7 (5/100) 4
ХН77ТЮР 600 68 66 — 45 72 (0,2/100)
700 42 40 — 35 18 26 (0,2/100)
800 20 — — 15 «— 15 (0,2/100)
ХН60Ю 800 G-8 — — 4 — 5 — —
900 3,5 — — ~ 2 — 2,4 (0,2/100)
1000 0,6 — — — — 1,0 (0,2/100)
ХН60ВТ 800 11 9,5 8,7 — — 8,3 (5/100) 4
900 5,2 4,3 4 — — 3,4 (5/100) 4
ХН70Ю 800 9—10 — 8 — —
900 3,5—4 — — — — 2,5 (5/100) 4
1 После оптимальной термической обработки.
2 Экстраполированные значения.
• В скобках в числителе — деформация в % , в знаменателе —
время в ч.
* Определено на конических образцах
хорошее сопротивление термической усталости (термостойкость). Всем этим требованиям отвечают сплавы на никелевой основе.
У жаростойких листовых никелевых сплавов повышенная пластичность в холодном и горячем состоянии, но жаропрочность ниже, чем у сплавов первой группы. Так, длительная прочность за 1000 ч составляет 4—6 кгс/мм2 при 800°С и 2—2,5 кгс/мм2 при 900°С (см. табл. 102).
Зависимости теплопроводности и коэффициента линейного расширения от температуры для четырех типичных жаропрочных сплавов показаны на рис. 27, 28.
Сплавы на кобальто-никелевой основе. Дополнительное легирование никелевых сплавов кобальтом повышает их жаропрочные свойства, 9
258
Черные металлы и сплаьы
Температура °C
Рис. 25. Зависимость изменения характеристик механических свойств жаропроч* ного сплава ХН77ТЮР от температуры
1 2 3 У 56 810 2030606080 МО 200 600 600
Время, ч
Рис. 26. Длительная прочность ХН77ТЮ и ХН77ТЮР
Рис. 27. Зависимость изменения коэффициента линейного термического расширения жаропрочных сплавов на никелевой основе от температуры
Рис. 2 8. Зависимость изменения теплопроводности жаропрочных сплавов от температуры
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
259
а также улучшает технологическую пластичность. Содержание кобальта должно быть достаточно высоко. Так, в отечественных марках таких сплавов (см. табл. 103) содержание кобальта варьируют от 5 до 15%, в зарубежных — доводят до 30%. Чем выше рабочая температура сплава, тем больше кобальта требуется для получения данного уровня жаропрочности.
Пределы длительной прочности на сроки 100 и 1000 ч типичных кобальто-содержащих сплавов приведены в табл. 103. У всех этих сплавов высокое содержание алюминия (4,5—6%), причем первые три сплава не содержат титана.
СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
К сталям и сплавам с особыми физическими свойствами относятся: электротехнические стали; магнитно-мягкие сплавы;
магнитно-твердые стали и сплавы;
сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения;
сплавы с высоким электрическим сопротивлением.
Характерной особенностью сталей и сплавов перечисленных групп является нормируемый уровень определенных характеристик физических свойств, который определяется как химическим составом сталей и сплавов, так и специальной технологией их производства (выплавка, горячая и холодная деформация, термическая обработка).
Электротехнические стали
Электротехнические стали относятся к группе магнитно-мягких материалов на основе системы железо-кремний. Они применяются
S
с
*
гг св Я
3 х
х
3
3 X х х
Максимальная рабочая температура, °C 900 950 950
Длительная прочность, кгс/мм2 о 800° С OOOtON ОООО СЧ СО СО СО СОСО
о 950° С 11,5 13 17 23 23
Э о008 со со ю со сч сч М-тС -f Ю Ю
Химический состав, % В 1 (не Другие более)। 0) ф й) >CQ . — сч сч —• | ооою-о о о 6 о о о
0,02 0,02 0,02 0,02 0,04 0,02
4,5 4,5 5,6 4,0 6,3 5,5
н HI-- X-
£ СОЮ
о £ О ON Ю -f
о и ЮО СЧ тг — ю
О ОООО —<
и <0,10 0,08 <0,10 <0,12 0,20 0,15 1
Сплав ХН62МВК5Ю ХН60МВКЮ ХН58ВМКЮ ХН55ВМФКЮТ ХН62МВКЮТ ХН66ВМКЮТ
260
Черные металлы и сплавы
в магнитных цепях, работающих в переменных полях различных электрических машин, аппаратов и приборов.
Сталь, используемая в радиотрансформаторах, трансформаторах для автоматики и телефонной связи, должна иметь высокую проницаемость в слабых полях. Для двигателей и генераторов повышенных частот (400—2500 Гц) применяют сталь с низкими потерями на перемагничивание. У стали, применяемой для магнитопроводов силовых трансформаторов, также должны быть низкие потери и на вихревые токи. Для аппаратов с разветвленным магнитным потоком требуется изотропность магнитных свойств.
Листовую электротехническую сталь по структурному состоянию и магнитным свойствам разделяют на три группы:
1) горячекатаная изотропная сталь марок ЭИ, Э12, Э13, Э21, Э22* Э31, Э32, Э41, Э42, Э43, Э43А, Э45, Э46, Э47, Э48;
2) холоднокатаная малотекстурованная (изотропная) сталь марок Э1100, Э1200, Э1300, Э3100, Э3200;
3) холоднокатаная текстурованная (анизотропная) сталь марок Э310, Э320, ЭЗЗО, ЭЗЗОА, Э340, Э350, Э360, Э360А, Э370, Э380.
Буквы и цифры в марках электротехнической стали обозначают следующее: Э — электротехническая сталь; первая цифра (1, 2,3,4) — степень легирования кремнием: 1 — слаболегированная сталь, 2 — среднелегированная сталь, 3 — повышеннолегированная сталь, 4 — высоколегированная сталь; вторая цифра (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) — гарантированные электрические и магнитные свойства стали: 1, 2, 3 — удельные потери при перемагничивании стали с частотой 50 Гц (1 — нормальные удельные потери, 2 — пониженные, 3 — низкие), 4, 5, 6, 7, 8 — удельные потери для разных групп стали при перемагничивании с частотой 400 Гц, индукция и магнитная проницаемость в слабых и средних полях; третья цифра (0) — то, что сталь холоднокатаная текстурованная (анизотропная); третья и четвертая цифры (00) — что сталь холоднокатаная малотекстурованная (изотропная); А — особо низкие удельные потери.
104. Характеристики свойств горячекатаной изотропной электротехнической стали (толщина листа 0,5 мм)
Сталь Магнитная индукция (Гс) при напряженности магнитного поля, А/см Удельные потери, Вт/кг
I Вгъ | Вбо | ^10» | ^300 р10/50 р15/50
Не менее Не более
ЭП 15 300 16 400 17 600 20 000 3,3 7,7
Э12 — 15 000 16 200 17 500 19 800 3,2 7,5
Э13 — 15 000 16 200 17 500 19 800 2,8 6,5
Э21 — 14 800 15 900 17 300 19 500 2,5 6,1
Э22 — 14 800 15 900 17 300 19 500 2,2 5,3
Э31 — 14 600 15 700 17 200 19 400 2,0 4,4
Э32 — 14 600 15 700 17 100 19 200 1,8 3,9
Э41 1-3 000 14 600 15 700 17 000 19 000 1,55 3,5
Э42 12 900 14 500 15 600 16 900 18 900 1,40 3,1
Э43 12 900 14 400 15 500 16 900 18 900 1,25 2,9
Э43А 12 900 14 400 15 500 16 900 18 900 1,15 2,7
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
261
По действующим стандартам (ГОСТ 802^—58 и 9925—61) выпускают 31 марку горячекатаной и холоднокатаной электротехнической стали. Горячекатаную сталь выпускают в виде листов толщиной от 0,1 до 1 мм, холоднокатаную — в виде листов и ленты толщиной от 0,05 до 0,5 мм.
Свойства сталей приведены в табл. 104, 105, 106.
105. Характеристики холоднокатаной малотекстурованной стали толщиной 0.5 мм
Сталь Магнитная индукция (Гс) при напряженности поля, А/см Удельные потери, Вт/кг
^2» | В.. | £100 | Взоо £10/50 Р15/50
Не менее Не более
Э1100 15 300 16 400 17 600 20 000 3,3 7,5
Э1200 15 300 16 400 17 600 20 000 2,8 6,5
Э1300 15 500 16 400 17 600 20 000 2,5 5,8
Э3100 15 000 16 000 17 300 19 600 1,7 3,7
Э3200 14 800 15 800 17 200 19 500 1,5 3,4
106. Характеристики свойств холоднокатаной текстурованной стали
Толщина листа, мм Магнитная индукция (Гс) при напряженности поля, А/см Удельные потери, Вт/кг
Сталь в,„ I £25 | | £50 | £100 | £300 £10/50 | р15/50 | р15/50
Не менее Не более
Э310 0,50 16 000 17 500 18 300 19 100 19 800 1,1 0,95 2,45 3,2
Э320 0,50 16 500 18 000 18 700 19 200 20 000 2,1 2,8
ЭЗЗО 0,50 17 000 18 500 19 000 19 500 20 000 0,8 1,75 2,5
Э310 0,35 16 000 17 500 18 300 19 100 19 800 0,8 1,75 2,5
3320 0,35 16 500 18 000 18700 19 200 20 000 0,7 1,5 2,2
ЭЗЗО 0,35 17 000 18 500 19 000 19 500 20 000 0,6 1,3 1,9
ЭЗЗОА 0,35 17 000 18 500 19 000 19 500 20 000 0,5 1,1 1,6
Электротехническая сталь склонна к старению — увеличению потерь стечением времени или при нагреве до 120—150° С, причем склонность к старению выше у низколегированных сталей. ГОСТ 802—58, 9925—61 нормируют коэффициент старения — не более 3% для высоколегированных сталей, не более 6% для средне- и повышеннолегированных сталей и не более 9% для слаболегированных сталей.
Удельное электрическое сопротивление (электросопротивление) стали возрастает с повышением содержания кремния. Среднее удельное электросопротивление слаболегированной стали 0,25 (Ом-мм2)/м, среднелегированной стали — 0,40 (Ом*мм2)/м, повышеннолегированной стали — 0,50 (Ом*мм2)/м, высоколегированной стали—0,60 (Ом-мм2)/м.
Для получения заданных электрических и магнитных свойств сталь подвергают отжигу по режиму: температура 1150° С, выдержка 4—6 ч, в защитной среде, охлаждение до 400° С со скоростью не более 50° С/ч.
'62
Черные металлы и сплавы
Магнитно-мягкие сплавы
У магнитно-мягких сплавов специального назначения на железной, железо-никелевой и железо-кобальтовой основах высокие магнитные характеристики в сочетании с комплексом других свойств, обусловленных особенностями их применения.
Состав сплавов, выпускаемых металлургической промышленностью по ГОСТ 10160—75 и техническим условиям, и их классификация в зависимости от свойств приведены в табл. 107.
Сплавы с наивысшей начальной Цо = (20ч-100) • 103 Гс/Э и высокой максимальной ртах = (100ч-1000) • 103 Гс/Э проницаемостью и малой коэрцитивной силой —79НМ, 80НХС, 76НХД, 83НФ, 77НМД— выпускают в виде ленты толщиной от 0,005 до 1 мм и применяют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле, магнитных экранов, головок аппаратуры для магнитной записи.
Из ленты толщиной менее 0,05 мм изготовляют сердечники импульсных трансформаторов, магнитных усилителей, элементы счетно-решающих устройств.
При толщине ленты более 0,05 мм Сплавы практически изотропны, в более тонких лентах наблюдается анизотропия магнитных свойств.
Сплавы пластичны, поддаются штамповке, сварке, механической обработке; применяются в отожженном состоянии. Режимы термической обработки и магнитные свойства сплавов этой группы указаны в табл. 108.
Механические воздействия, приводящие даже к незначительной пластической деформации или остаточным напряжениям, ухудшают свойства сплавов, поэтому всю механическую обработку следует проводить до окончательной термической обработки.
Сплавы 50НХС и 12Ю характеризуются высокой магнитной проницаемостью (Ртах = 15 000—100 000 Гс/Э) и повышенным электросопротивлением (р = 0,9-т-1,0 Ом-мм2/м).
Сплав 50НХС применяется для магнитных сердечников, работающих в импульсном режиме намагничивания. Изготавливается в виде ленты толщиной от 0,02 до 1,0 мм. Сплав 12Ю применяют для магнитопроводов, испытывающих механические воздействия; у него повышенная твердость и прочность. Структура сплава — однофазный a-твердый раствор. Изготавливается в виде кованых прутков 0 15—80 мм. При механической обработке требует малых подач и обильного охлаждения.
У сплава 50Н высокая магнитная проницаемость (ртах = 20 000-?--ь 100 000 Гс/Э) и повышенная индукция насыщения (Bs — не менее 15 000 Гс), его применяют для витых и штампованных сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, трансформаторов звуковых частот, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих без подмагничивания или с малыми подмагничивающими полями.
Изготавливается в' виде лент толщиной 0,02—2,5 мм, листа 3—22 мм, прутков 0 8—100 мм, проволоки 0 0,1—2,0 мм.
Сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса 50НП, 68НМП, В 34НКМП, 40НКМП имеют коэффициент прямоугольности /Сп =т =
#8 = 0,854-0,98, повышенную магнитную проницаемость (цтах = 40 000ч-н-300 000 Гс/Э), высокую индукцию насыщения. Прямоугольность петли гистерезиса связана с кристаллографической текстурой и обеспечивается специальной технологией прокатки и термической обработки ленты. Эти сплавы применяют для сердечников магнитных усилителей, импульсных
107. Классификация и химический состав * (%) основных магнитно-мягких сплавов
Группа Основная характеристик Сплав Ni Со Мо Сг Si Прочие элементы
I Наивысшая магнитная проницаемость в слабых полях 79НМ 80НХС 76НХД 83НФ 77НМД 78,5—80,0 79,0—81,0 75,0-76,5 83,0—84,5 75,5 — 78,0 3,8-4,1 3,9—4,5 2,6—3,0 1,8—2,2 1,1 —1,5 Си 4,8—5,2 V 4,8—5,1 Си 4,8—6,0
II Высшая магнитная проницаемость и повышенное удельное электросопротивление 50НХС 12Ю 49,5 — 51,0 — — 3,8-4,2 1,1 —1,4 А1 11,8—12,8
III Высокая магнитная проницаемость и повышенная индукция технического насыщения 50Н 49,5 — 50,5 — — — — —
IV Прямоугольная петля гистерезиса 50НП 68НМП 49,5 — 50,5 67,0 — 69,0 — 1,5 —2,5 — —
V Низкая остаточная индукция и постоянная магнитная проницаемость 47НК 68НМ 46,0 — 48,0 67,5 — 69,0 22,5 — 23,5 1,5-2,5 — — —
VI Высокое техническое насыщение 50КФ 49КФ — 49—51 48,0—49,5 — V 1,5 — 2 V 1,3—1,8
* Остальное — железо.
Примечания: 1. Сплавы-содержат минимальное количество технологических примесей. 2. Сплавы 50НП и 68НМП по химическому составу соответствуют сплавам 50Н и 68НМ, но отличаются прямоугольной петлей гистерезиса.
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
108. Типичные характеристики магнитных свойств ленты из сплавов с наивысшей и высокой магнитной проницаемостью
Сплав Термическая обработка Толщина ленты, мм ц0-10-\ Гс/Э 11 шах 10"‘-Гв/Э "сл Э Ге, не менее
Режим отжига Скорость охлаждения
79НМ 1100—1150° С 3 ч, До 600° С — 100—200° С/ч, 0,05—0,08 ' 16 90 0,04 7,5
вакуум или водород далее — не менее 400® С/ч 0,1 — 0,18 20 120 0,03
1,0—0,35 25 150 0,02
80ХСН 1100—1150® С 3 ч, До 400° С — 100° С/ч, 0,04—0,02 18 70 0,05 6,5
вакуум или водород далее на воздухе 0,1 — 0,18 22 120 0,03
1,0—0,55 30 170 0,012
76НХД 1100—1150° С 3 ч, До 500° С — 50® С/ч, 0,04—0,02 10 50 0,065 7,5
вакуум или водород до 300® С — 10® С/ч, 0,1—0,18 15 120 0,025
далее не менее 400* С/ч 0,2—0,3 18 150 0,02
77НМД 1100—1 150° С 3 ч, 0,05 40 140 0,03 6,0
вакуум или водород 0,10 50 120 0,02
0,20—0,35 30 100 0,03
50НХС 1100—1150° С 3 ч. 100° С/ч до 400° С, 0,02—0,04 1,5 15 0,25 10
вакуум или водород далее на воздухе 0,10—0,18 2,5 25 0,16
0,55—1,0 3,0 20 0,12
50Н 1100—1150° С 3 ч, 100® С/ч до 400® С, 0,02—0,04 2,3 25 0,2 15
вакуум или водород далее на воздухе 0,35—0,5 3,0 30 0,12
1,1 —2,5 2,8 25 0,16
Черные металлы и сплавы
109. Характеристики магнитных свойств сплавов с прямоугольной петлей гистерезиса
Сплав Термическая обработка Толщина ленты, мм Ио-10-», Гс/Э (‘max’10"’- Гс/Э Н # Э, не более с OJ ‘«-01-’я щи|асГ II к3 ГОСТ или ТУ
Режим отжига Скорость охлаждения Не менее
50НП 1100—1150* С в вакууме или водороде До 600* С— 100 — 200° С/ч, до 200° С — не более 400* С/ч 0,05 0,01 1 0,7 35 20 0,23 0,4 15 0,83 0,85 ГОСТ 10160—75 ЧМТУ 975 — 63
68НМП 1-я операция — 1100—1200° С в вакууме или водороде До 600® С— 100 — 200° С/ч, далее 400° С/ч 0,20 — 0,10 0,08 0,02 300 600 200 0,05 0,03 0,05 11,5 0,95 ТУ 968—63 ТУ 14-1-267—72 ТУ 14-1-267 — 72
2-я операция — отжиг в магнитном поле 10—15 Э, 600 — 650* С, 0,5—1 ч До 200* С — 25— 100® С/ч
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
8
266
Черные металлы и сплавы
трансформаторов, модуляторов, магнитных элементов вычислительных машин. Изготавливаются в виде холоднокатаной ленты толщиной от 0,005 до 0,5 мм.
Магнитные характеристики приведены в табл. 109.
У сплава 47НК после термомагнитной обработки в поперечном магнитном поле постоянная магнитная проницаемость, малая нелинейность кривой намагниченности в интервале индукций от 0 до (10—12) кГс и низкая остаточная индукция. После выдержки в поперечном магнитном поле в интервале температур от 600 до 550° С и медленного охлаждения со скоростью 20—50° С/ч у сплава 47НК по ЧМТУ/ЦНИИЧМ 1455—67 следующие магнитные свойства:
цо>=9ОО (12504-1350) Гс/Э; цтах/ц01.15 (1,08-М,10);
В/В10^0,05 (0,034-0,04).
Сплав в виде ленты толщиной 0,01—0,1 мм применяют для сердечников магнитных систем измерительных приборов, широкополосных трансформаторов, катушек постоянной индуктивности.
Сплав 50КФ в виде поковок применяют для сердечников соленоидов, полюсных наконечников в постоянных полях, в виде лент и полос— для изготовления пакетов ультразвуковых преобразователей. Нормируемые по ЧМТУ 1-513—69, ЧМТУ 4-217—69 и ТУ 14-222-8—71 характеристики: 15 000 Гс; В16^ 17 000 Гс; В2Ъ^ 19 000 Гс; В38
^20 000 Гс; В47^ 21 000 Гс; Ввз^ 22 000 Гс; В16О 22,500 Гс; цо 700 Гс/Э; ls 60 • 10"6.
Сплавы 68НМ и 79НЗМ характеризуются высокой магнитной проницаемостью и большим приращением индукции при однополярном импульсном намагничивании. После термомагнитной обработки в поперечном поле сплава 68НМ его проницаемость при уровне 3000—4000 Гс/Э мало зависит от поля и температурный коэффициент проницаемости не более 8-Ю"4 1/°С в интервале температур 60—120° С. Сплав выпускают в виде ленты толщиной 0,006—0,02 мм и используют для катушек постоянной индуктивности, дросселей фильтров, широкополосных трансформаторов.
Магнитно-твердые сплавы
Литые дисперсионно-твердеющиё сплавы на основе системы Fe— Ni—Со—Al имеют самую высокую из всех промышленных материалов магнитную энергию (ВН)тах. Их применяют для постоянных магнитов.
Состав и основные магнитные свойства этих сплавов приведены в табл. ПО.
Высокая коэрцитивная сила сплавов обусловлена структурным превращением а2 -> а + а2, в результате которого возникает структура, представляющая собой однодоменные анизотропные выделения а-фазы на основе железа, расположенные в направлении (100) в маломагнитной а2-матрице.
Термическая обработка сплавов без кобальта или с низким его содержанием (ЮНД4, ЮНД8С, ЮНДК15) заключается в медленном нагреве до температуры существования однородного твердого раствора 1250-^ 1280° С, охлаждении на воздухе и последующем отпуске при 580—600° С.
Для сплавов с более высоким содержанием Со (>18%) и имеющих более высокую температуру Кюри регулируемое охлаждение, начиная с температуры гомогенного твердого раствора (1280—1300Q С), проводят в магнитном поле. При этом возникает магнитная текстура и магнитные
110. Химический состав и характеристики магнитных свойств литых сплавов для постоянных магнитов (по ГОСТ 17809 — 73)
Сплав Химический состав, % ♦ (ВН)щ.10% Гс/Э нс. э Вг, Гс
Ni А1 Со Си Прочие He менее
ЮНД4 24 — 25 13—14 — 3-4 Ti 0,2 —0,3 Si 0,1 —0,2 0,9 500 5 000
ЮНДК15 18—19 8,5-9,5 14-15 3—4 Ti 0,2-0,3 1,5 600 7 500
ЮН14ДК24 13,5—14,5 7,5-8,5 23,5 — 24,5 2,5—3,5 — 4,5 600 12 500
ЮН14ДК25А 13,5—14,5 8,0—8,5 24,0 — 26,0 3,5 —4,0 Ti > 0,03 7.0 650 13 300
ЮН14ДК25БА 13,5—14,0 8,0-8,5 24 — 26 3,5 —4,0 Nb 0,8-1,0 Ti > 0,3 7,0 720 13 000
ЮНДК31ТЗБА 13,0—13,5 6,8-7,2 30,5 — 31,5 3,0 —3,5 Ti 3,0—3,5 Nb 0,9—1,1 8,0 1 150 11 500
ЮНДК35Т5 14,0-14,5 6,8—7,2 30,5 — 31,5 3,0 —3,5 Ti 5,0—5,5 4,5 1 380 8 000
ЮНДК35Т5БА 14,0—14,5 6,8-7,2 34,5-35,5 3,3—3,7 Ti 4,7 —4,5 9,0 1 380 10 200
ЮНДК35Т5АА 14,0—14,5 7,0-7,5 34,0-35,0 2,5 —3,0 Nb 0,8-1,1 Ti 5,0 —5,5 Si 0,1-0,2 10,0 1 400 10 500
ЮНДК40Т8АА 14,0-14,5 7,2 —7,7 39,0—40,6 3,0—4,0 Ti 7,0-8,0 Si 0,1 —0,2 8,0 1 800 9 000
ЮНДК42Т8 13,5—14,5 7,5-8,5 41,5-42,5 3,0-4,0 Ti 8,0-9,0 4,5 1 900 7 500
* Остальное — железо; в сплав ЮНДК35Т5БА введено 0,05-0,1% Ce.
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
268
Черные металлы и сплавы
свойства сплавов значительно улучшаются. При обработке сплавов с содержанием кобальта выше 30% применяют изотермическую выдержку при 770—830° С (в зависимости от состава) в магнитном поле. Все сплавы подвергают ступенчатому высокотемпературному отжигу.
Литые сплавы для постоянных магнитов отличаются высокой твердостью, хрупкостью, низкой механической прочностью, склонны к тре-щино- и сколообразованию. Поддаются только шлифованию, электро-эрозионной и анодно-механической обработке.
Металлокерамические магнитно-твердые материалы. Для металлокерамических магнитов (ММК) используют порошки литых или деформируемых сплавов на основе систем Fe—Ni—Al—Со, Си—Ni—Со, Си—Ni—Fe, Со—Pt, Fe—Со—Мо и др.
Магниты изготавливают прессованием для получения конечной формы (иногда с дополнительной обработкой резанием), затем спекают и подвергают термической обработке по тем же режимам, что и литые сплавы того же состава. Иногда целесообразно изготовлять прокат из спеченных металлокерамических материалов, из которого можно штамповкой или механической обработкой получить магнит нужной формы.
У готовых металлокерамических магнитов обычно пористость от 2 до 5% (объемных). По магнитным свойствам металлокерамические магнитные материалы незначительно уступают литым сплавам, однако у порошковой технологии ряд преимуществ: меньшие потери и отходы материала, более высокая производительность труда, меньший объем механической обработки, большая однородность изделий по свойствам.
Деформируемые сплавы для постоянных магнитов. Основное преимущество деформируемых магнитно-твердых сплавов — возможность получать их в виде тонких сечений — листа, ленты, проволоки, иногда даже порядка нескольких микрон.
Деформированный сплав ЮНДК-24 выпускают в соответствии с ЧМТУ/ЦНИИЧМ 1499—70 в виде горячекатаных листов толщиной от 3 до 16 мм. Режим термической обработки сплава для получения высокой коэрцитивной силы состоит из двух операций: 1) закалка от 1280—1300° С с охлаждением в магнитном поле 1000—1200 Э. Скорость охлаждения регламентирована только в интервале 900—700° С и составляет 1—2Р С/с; 2) ступенчатый отпуск при 600 и 5809 С с выдержками в течение 2 и 8 ч соответственно.
Деформированный сплав изотропен, имеет более высокие магнитные [Яс^580 Э, 12 800 Гс, (ВЯ)т^4-106 Гс-Э] и механические свойства, чем аналогичный по составу литой сплав, устойчивость его к климатическим, вибрационным и ударным воздействиям выше. У деформированного сплава ниже твердость и лучше обрабатываемость, чем у литого. Повышенная пластичность деформированного сплава при высоких температурах позволяет применять горячую вырубку и штамповку заготовок магнитов.
Сплавы системы Fe—Ni—Al—Nb (20НЮ, 22НЮ, 25НЮ, табл. Ill), выпускаемые в соответствии с ЧМТУ/ЦНИИЧМ 5800—57 в виде горячекатаных листов толщиной от 1,5 до 10 мм, предназначены для дешевых малогабаритных магнитов.
Термическая обработка этих магнитов следующая: нагрев до 1200° С и последующее охлаждение на воздухе или в горячей воде. Возможна закалка от 1200° С в масле с последующим отпуском при 600° С в течение 8—12 чГ Твердость сплавов после горячей прокатки HRC 40—45, после окончательной обработки HRC 50—55. Возможные методы обработки
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
269
для получения изделий (магнитов) — горячая штамповка, электро-эрозионная или анодномеханическая резка.
Сплавы 58КФА, 52КФБ, 52КФВ (см.^табл. 112) выпускают в виде проволоки 0 0,5—3,0 мм, полос и лент толщиной от 0,2 до 1,3 мм. После холодной деформации твердость сплавов HRC 32—40 и их можно механически обрабатывать (резка, штамповка, высечка и др.). Термическая обработка после холодной деформации — отпуск при 600—620 °C. После окончательной обработки твердость HRC 58—62.
111. Химический состав* (%) и характеристики магнитных свойств сплавов системы Fe— Ni—Al — Nb
по ЧМТУ/ЦНИИЧМ 5800-57
Сплав Ni Al Nb Го
20НЮ 19,5—20,5 8,4 —9,6 3,7-4,2 150—180 8000—7000
22НЮ 21,5—22,5 8,4 —9,6 3,7—4,2 220—260 8000—7000
25НЮ 24,5—25,5 8,4 —9,8 3,7—4,2 400—500 6000—5000
♦ С <0,05%, Sl< 0,4%, Mn< ; 0,6% (остальное Fe).
Легированные магнитно-твердые стали (табл. 113) изготовляют по ГОСТ 6862—71 в виде горячекатаных или кованых прутков. В состоянии поставки стали имеют невысокую твердость — от НВ 229—285 для стали ЕХЗ до НВ 341—369 для стали ЕХ5К5. Магнитные свойства стали получают после термической обработки, состоящей из нормализации, высокого отпуска (для сталей ЕХ5К5 и ЕХ9К15М2), закалки и низкого отпуска (100q С).
112. Химический состав* (%) и характеристики магнитных сплавов системы Fe—Со —V (ЧМТУ/ЦНИИЧМ 5009—55)
Сплав Со V "с**-э Гс н вг1о-% Гс/Э
52КФА 51-53 12,6—13,5 500/350 6 000 6 000 3/2,3
52КФБ 51-53 11,6—12,5 350/300 8 500 7 500 3/2,4
52КФВ 51-53 11,0—11,5 300/220 10 000 10 000 3/2,4
* ♦ ♦ листа. С В С 0,2%, Si числителе - и Ni < 1,0%, остальное — Fe. - характеристики проволоки, в знаменателе —
ьо о
113. Химический состав* (%) и характеристики магнитных свойств легированных магнитно-твердых сталей (ГОСТ 6862—71)
Сплав С Сг W Мо Со э | вг- Ге не менее
ЕХЗ . ЕВ6 (Е7В6) ЕХ5К5 ЕХ9К15М2 (ЕХ9К15М) * Во всех спл£ 0,9—1,1 0,68—0,78 0,9—1,05 0,9—1,05 1вах содержанр 2,8—3,6 0,3 —0,5 5,5 —6,5 8,0—10,0 ie Мп 0,20 — 0J 5,2—6,2 Ю%; Si 0,17—( о 11 1 о тг 5,5—6,5 13,5—16,5 Ю%; Р < 0,03°/ 60 60 90 150 ;; S С 0,02%; < 9 500 10 000 8 500 8 000 остальное Fe.
114. Химический состав и коэффициент линейного расширения сплавов с минимальным ТКЛР
Сплав Химический состав*, % Интервал температур °C Средний ТКЛР.10’ 1/°С (не более) Термическая обработка
Ni Со Прочие
36Н 35 — 37 —* — 20—80 1,5 Закалка в воде при 840* С, отпуск при 315° С (1 ч)
32НКД 31,5—33 3,3—4,2 Си 0,6—0,8 20—100 1,0 Закалка в воде при 860® С, отпуск при 315® С (1 ч)
ЗбНХ 35—37 — СГ 0.4 —0,6 20—100 2,0 Закалка в воде при 840° С, отпуск при 315° С (1 ч)
39Н 38—40 — — 20—100 3—4 Отжиг при 850® С, охлаждение на воздухе
35НКТ 34—35 5—6 Ti 2,2 —2,8 20 — 60 3,5 Закалка в воде при 950® С, отпуск при 650® С (4 ч)
* Сплавы содержат остальное Fe. минимальное количество примесей (С <0,03%, St <0,3% , Мп <0,4%. S и Р <0,02%),
Черные металлы и сплавы
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
271
Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения
Сплавы, основной характеристикой которых является температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), в зависимости от величины ТКЛР и назначения делят на три группы:
1) сплавы с минимальным ТКЛР (36Н, 36НХ, 39Н, 32НКД, 35НКТ);
2) сплавы с низким и средним ТКЛР (29НК, 34НК, ЗОН КД, 42Н, 38НКД, 52Н, 47НХР, 18ХТФ, 58Н);
3) немагнитные сплавы со средним ТКЛР (75НМ, 80НМВ, 70НВД).
Сплавы с ТКЛР, близким к нулю (типа инвар), применяют в метрологии, приборостроении, электронике для деталей с высокой стабильностью размеров в интервале температур от 4,2 до 420 К.
Наиболее широко известны сплавы 36Н (инвар), имеющий ТКЛР = -МО’6 1/°С и 32НКД (суперинвар) с ТКЛР (0,5 — 0,8) • 10"6. Для деталей, работающих при низкой температуре, и труб в криогенной технике применяют сплавы 36НХ и 39Н, структура и свойства которых стабильны до температуры жидкого гелия. Для нагруженных деталей высокоточных приборов, а также для точных пружин применяют сплав 35НКТ, приобретающий в результате закалки и старения наряду с низким ТКЛР повышенные механические свойства (табл. 114).
Сплавы этой группы пластичны, хорошо обрабатываются резанием, полируются, свариваются. При сварке целесообразно использовать специальную присадочную проволоку из сплавов 36НГ6 и 36НГТ. Сплавы применяют в состоянии после отжига, нормализации или закалки с отпуском. Для повышения стабильности геометрических размеров в течение длительного времени сплавы после закалки и отпуска подвергают длительному старению при 100° С в течение не менее чем 48 ч.
Сплавы с низким и средним ТКЛР предназначены для вакуумноплотных соединений с неорганическими диэлектриками — стеклом, керамикой, сапфиром, слюдой и т. д. Эти сплавы в интервале температур ниже точки Кюри имеют ТКЛР, близкий к ТКЛР соответствующих диэлектриков (табл. 115), что обеспечивает низкий уровень напряжений в спае.
Из этой группы сплавов наиболее широко применяется в промышленности сплав 29НК (ковар). Его используют для соединения с термостойкими стеклами С52-1, С49-2 и др. в радиолампах, полупроводниковых приборах, электроннолучевых трубках и других электровакуумных приборах. Сплав технологичен, хорошо обрабатывается резанием, сваривается, штампуется. Изготовляется в виде поковок, прутков, полос, ленты толщиной от 0,02 до 2,5 мм, проволоки диаметром от 0,02 до 3,5 мм, трубок диаметром от 10 до 1 мм.
Структура сплава — однофазный у-твердый раствор, устойчивый до температуры —70° С. При более низкой температуре возможно образование a-фазы, сопровождающееся изменением объема и ТКЛР. Сплав с содержанием никеля на верхнем пределе допуска по ГОСТ 10994—68 не претерпевает превращений при охлаждении до —196° С.
Склонность к мартенситному превращению при низких температурах имеет также сплав ЗОН КД. Остальные сплавы с низким и средним ТКЛР имеют стабильную структуру у-твердого раствора до температуры жидкого гелия.
Для сплавов 47НД и 52Н, применяемых для герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов), кроме ТКЛР нормируются
115. Химический состав и нормируемые характеристики свойств сплавов с низким и средним ТКЛР
Химический состав*1, % Средний ТКЛР*16в, в интервале температур, °C Температура перегиба (не ниже), °C Приме
Ni Со Прочие 20—300 20-400 20—500
29НК ЗОНКД 38НКД 47НД 47НХР 47НХ*? 34НК 42Н 52Н 58Н*: 18ХТФ *1 ное — ] *2 *« 28,5—29,5 29,5 — 30,5 37,5—38,5 46—48 46—48 46—47,5 33,5 — 34,5 41,5—42,5 51 — 53 57,5—59,5 Сплавы со; Fe. Данные в Данные в 18—17 13—14,2 4,5 — 5,5 11,5-12,5 цержат мин: интервале интервале ’ Си 0,3—0,5 Си 4,5 —5,5 Си 4,5—5,5 СГ 4,5 —6,0 В 0,02 СГ 0,7—1,0 СГ 17—19 Ti 0,4 —0,8 V 0,25—0,45 нмальное кс температу гемператур 4,6—5,5 3,3—4,3 7,0 —8,0 9,2—10,2 8,5 —9,5 5,2—6,1 4,5—5,0 9,6—10,6 10,8—11,5 >личество п] р 20 — 450° 20—40° С. 4,5—5,2 3,8—4,6 7,0—8,0 9,2—10,2 9,2—10,2 8,0 —9,0 5,1 —6,0 Не норы 9,6—10,6 римесей (С« С. 5,9—6,4 5,9—6,7 8,0—9,0 9,8—10,8 9,8—10,8 6,0—7,0 гируется 9,8—10,8 11,0—11,4 С 0,05 Si С 420 390 400 440 330 380 480 0,3%, Мп < 0 Спаи со стеклами С50-1, С52-1 и др. Спаи со стеклом С38-1. 0*8-1 Спаи со стеклом С72-1, С76-4 Спаи со стеклом С87-1, С89-2, С90-1 Спаи со стеклом С87-1, С89-2, С90-1 Спаи со стеклом С76-4, С82-1 Спаи с керамикой 22 ХС Спаи с керамикой Герметизированные реле Штриховые меры, линейки прецизионных станков Спаи со стеклом С89-2, С90-1 и др. ,4%, S и Р < 0,02%), осталь-
Черные металлы и сплавы
116. Типичные характеристики физических и механических свойств сплавов с заданным ТКЛР (после отжша 900° С в течение 1 ч)
Сплав Р. (Ом -мм2)/м К, кал/(см« *JC) JC Bs, Гс но, Э Е °в б, %
КГС/Ml м9
36 Н 0,80 0,03 230 8 700 0,16 15 000 44—48 35—40
32НКД 0,78 0,032 220 10 600 0,16 14 400 44 — 48 38—45
35НКТ 0,85 0,033 210 5 900 0,19 16 400 115—120 8—10
28ИК 0,50 0,040 440 13 500 0,93 14 500 48—60 >23
ЗОНКД 0,50 0,049 400 13 600 0,9 14 000 48—60 >23
38НКД 0,50 0,045 405 13 000 0,42 15 000 45 — 55 >23
47НД 0,45 0,045 550 13 000 0,28 15 000 45—55 >23
47НХР 0,90 0,043 350 7 000 0,38 14 000 45 — 55 20 — 25
47НХ 0,40 0,048 410 13 000 0,29 14 000 45 — 55 20 — 25
34НК 0.50 0,048 390 — — 14 500 48—60 20 — 25
42Н 0,58 — — — — 14 200 45—55 —
52Н 0,42 0,040 500 23 500 0,2 16 000 45—55 —
58Н 0,40 0,05 — — — — 45 — 55 . —
18ХТФ 0,60 0,052 — 10 500 1,6 18 000 40 — 50 —
75НМ 1,29 — — — — 23 500 102 40
80НМВ 0,99 — — — — 22 900 90 40
70НВД 1,00 — — — — 27 700 70 35
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
ьо w
274
Черные металлы и сплавы
и характеристики магнитных свойств: соответственно В должно быть не менее 13 000 и 13 500 Гс, а Нс — не менее 0,2 Э (для обоих сплавов).
У сплава 58Н (инвар-стабиль) высокая стабильность размеров и ТКЛР во времени, его применяют для рабочих эталонов длины и линеек, встраиваемых в прецизионные станки.
Немагнитные сплавы на никелевой основе 80НМВ, 75НМ имеют средний ТКЛР (11-?-14) • 10"6° С в интервале от —196 до +900° С, коррозионную стойкость, высокие прочностные свойства и хорошую пластичность.
Физические и механические свойства сплавов с заданным ТКЛР приведены в табл. 116.
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением
Сплавы этой группы применяют для изготовления нагревателей промышленных и лабораторных печей и бытовых приборов, а также резисторов, терморезисторов и тензорезисторов (тензодатчиков).
Сплавы для нагревателей. У них должны быть высокое удельное электросопротивление; высокая жаростойкость и достаточная жаропрочность (крипоустойчивость); удовлетворительная пластичность в холодном состоянии.
Наиболее широко для электронагревателей применяют сплавы на основе систем Fe—Сг—А1 и Ni—Сг (нихромы). Состав выпускаемых промышленностью сплавов приведен в табл. 117, а их основные свойства— в табл. 118. Сплавы наиболее высокого качества обозначают индексами А и Н, они отличаются прецизионной технологией изготовления, а также наличием микродобавок редкоземельных элементов, повышающих жаростойкость сплавов.
Сплавы Fe—Сг—А1 склонны к так называемой 475-градусной хрупкости. При медленном охлаждении ниже 500° С или выдержке в интервале 450—500° С сплавы охрупчиваются. Для устранения хрупкости
117. Химический состав (%) сплавов для электронагревателей (ГОСТ 12766 — 67 *)
Сплав Мп Si Сг Ni AI
Х13Ю4 <0,7 <1,0 12—15 <0,6 3,5—5,5
0Х23Ю5 <0,5 <0,7 21,5—24,5 <0,6 4,5-5,5
0Х23Ю5А <0,3 <0,6 21,5-23,5 <0,6 4,6 —5,3
0Х27Ю5А <0,3 <0,6 26,0—28,0 <0,6 5,0—5,8
Х15Н60 <1,5 0,4-1,5 15—18 55-61 <0,2
Х15Н60-Н <0,6 1 — 1,5 15—18 55-61 <0,2
Х20Н80 ♦♦ <0,7 0,4—1,5 20—23 Остальное <0,2
Х20Н80-Н <0,6 1—1,5 20—23 То же <0,2
♦ Во всех сплавах Р, остальное — Fe. содержится я минимальное количество С, S,
*♦ В сплаве Х20Н80 Fe < 1,5% ,, в сплаве Х20Н80Н Fe < 1,2%.
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
275
118. Характеристики свойств сплавов для электронагревателей
Э0-э.«э/1гем ‘0031—02 Y 0,030 0,030 0,030 0,032 0,035
0,12 0,11 0,11 0,11 0,10
(Э о0021 -03 и du) eoi.Z) | 17,43 15,0 | 16,3 } 16,5
э Оог исШ % ‘Q 20 14 15 12,0 22 22 20 20
S S £ ЭоОООХ 1,7 1,3 6,0 7,3
Э о008 12 8,9 17 21
Э ЛИ 1 о <0 67,5 СО <о <©
Живучесть, ч (не менее), при Гпред СО Ч ♦ « О О О О I * 1 * 00 СО 00 <0 1 о • о о о
1 класс 120 120 120 100 150 ** 150 ***
#1000° С ^20° С 1,112 * 1,033 1,033 0,998 1,139 1,138 1,078 1,076 5° С. С.
Р. Ом-мм2/м 1,18—1,34 1,29—1,45 1,30—1,40 1,37—1,47 1,06—1,17 1,06—1,17 1,04—1,16 1,04—1,16 тытания 112: тытания 117J
Рабочая температура, °C предельная 1000 1200 1200 1300 1000 1100 1100 1200 Т?20° С-гура ист гура ист
оптимальная 90 1150 1175 1250 950 1000 1050 1150 ’900е С/ 'емпера! 'емперач
Сплав м; г-г— < < X ? * i Й ° ° ° ° ^ОООоюоооо СОСМСМСМ10ЮОО ХоооХХХХ
119. Характеристики свойств и назначение сплавов для резисторов и тензорезисторов
Сплав Р, Ом-мм2/м ар.10Ч/оС Интервал рабочих температур, °C Тензо-чувстви-тельность *В’ кгс/мм* % ТУ Назначение
Н80ХЮД 1,4-1,5 ±3 20 — 300 — 90—100 8-18 ТУ 141-41 — 71 Проволока для малогабаритных прецизионных резисторов
Н63ГХ 1,3— 1,4 ±3 20 — 200 — 80—100 8—18 ТУ 141-41-71 Проволока для малогабаритных прецизионных резисторов
ЭП-277 >1,4 <5 20—150 — >90 >10 ЧМТУ 1-337-68 То же
Х20Н75Ю 1,3—1,4 ±3 20 — 300 2±0,05 90—100 10—20 ЧМТУ 1515—71 Проволока и лента для малогабаритных прецизионных печатных резисторов, жаростойких тензорезисторов
НГ45Ф 1,75 — 2,0 - (4+10) 20—150 2+0,05 70—100 4—18 ЧМТУ 1494—70 То же
НМ23ХЮ 1,5—1,6 <3 20 — 500 204 196 2,2 + 0,05 >130 >18 ТУ 14-222-19—72 Проволока и лента для малогабаритных прецизионных резисторов и жаростойких тензорезисторов
0Х21Ю5ФМ 1,4—1,5 <4 20+600 20-7 196 2,7+0,05 >80 8-15 ЧМТУ 1551 — 66 Проволока для жаростойких тензорезисторов
0Х21Ю9 >1,65 - (4+5) 20 — 800 20+ -196 2,15+0,05 >75 5-10 — То же
I
Стали специальных способов еып гавки
277
применяют закалку в воде от 750—860° С. При температурах выше 950° С происходит быстрый рост зерна, также понижающий пластичность сплавов.
Нихромы более пластичны как в исходном состоянии, так и в процессе эксплуатации.
Сплавы для резисторов и тензорезисторов. К этим сплавам кроме требований, предъявляемых к сплавам для нагревателей (кроме жаропрочности), предъявляют следующие требования: малый или заданный по величине и знаку температурный коэффициент электросопротивления;
^R/R низкая ТЭДС в паре с медью; тензочувствительность S = & .
Важнейшие свойства и область применения сплавов даны в табл. 119.
Сплавы выпускают в виде проволоки диаметром 0,02—0,4 мм и ленты толщиной 0,01—0,1 мм. Сплавы Н63ГХ изготовляют также в виде прутков для литья микропровода в стеклянной изоляции.
СТАЛИ СПЕЦИАЛЬНЫХ СПОСОБОВ ВЫПЛАВКИ
Рост требований к качеству металла привел к тому, что наряду с созданием новых сталей и сплавов нашли применение новые специальные способы выплавки сталей и сплавов более высокого качества, чем выплавляемые в обычных дуговых и индукционных электропечах.
Характеристика специальных способов выплавки
Электрошлаковый переплав (ЭШП)—наиболее распространенный в СССР способ специальной выплавки стали.
Процесс ЭШП идет при атмосферном давлении. Конец плавящегося электрода опущен в расплавленный шлак (масса шлака равна 2—4% от массы слитка), температура которого 1700—2000° С. Капли металла, стекая с электрода, проходят через шлак в жидкую ванну металла. Шлак нагревается выделяющимся теплом благодаря проходящему току. Электрический ток, чаще переменный или реже постоянный, проходит через электрод, шлак, наплавленный металл и через дно медного кристаллизатора к подведенному к нему кабелю.
Отсутствие огнеупоров позволяет выбрать и строго регулировать оптимальный для стали данной марки (группы) химический состав шлака.
Масса слитка — от 0,2 до 150 т.
Поверхность слитка в отличие от поверхности при других способах плавки и разливки стали получается чистой, покрытой тонким слоем шлака, который легко удаляется.
Вакуумная индукционная плавка (ВИП). Вакуумная, как и открытая, индукционная печь состоит из огнеупорного тигля, помещенного внутри индуктора, через который проходит ток высокой частоты. Индуктор с тиглем помещен в герметичную камеру вместе с обычной чугунной изложницей или несколькими изложницами или отдельно от нее (от них) в зависимости от емкости тигля и массы отливаемых слитков.
Разрежение обычно 10"2 или 10”3 мм рт. ст., температура нагрева металла и время его выдержки регулируются, их предельные значения ограничиваются износостойкостью огнеупорного тигля и возможностью загрязнения металла неметаллическими включениями. Испарение ком
278
Черные металлы и сплавы
понентов, входящих в состав плавящегося металла, например марганца, также ограничивает степень разрежения в ВИП.
Для сокращения длительности плавки отбирают шихтовые материалы с минимальным содержанием фосфора и других вредных примесей. Емкость тиглей промышленных ВИП — от 0,2 до 60 т.
Вакуумный дуговой переплав (ВДП). Кристаллизатор и нижняя часть электрода находятся в общей цилиндрической камере. Электрический ток подводится кабелем к верхней части электрода и отводится от нижней части кристаллизатора.
Необходимость относительно большой скорости плавления электрода ограничивает время пребывания жидкого металла под действием вакуума, что уменьшает степень рафинирования металла. Результаты переплава в значительной степени зависят от качества исходного металла. Повторный переплав металла в вакууме повышает его свойства за счет дополнительной рафинировки, что используется в промышленности.
В промышленности нашли применение ВДП с массой слитка от 0,2 до 50 т.
Электронно-лучевой переплав (ЭЛП). Источник нагрева металла в ЭЛП — кинетическая энергия направленного от электронной пушки потока электронов, или электронного луча, превращающаяся в тепловую энергию при столкновении электронов с поверхностью плавящегося электрода.
В ЭЛП различной конструкции используют одну или несколько электронных пушек, лучи из которых направлены на конец электрода, поддерживаемого над медным водоохлаждаемым кристаллизатором. Часть потока электронов может быть направлена на поверхность расплавленного металла в кристаллизаторе для поддержания заданной температуры металла.
Расплавляемый электрод с заданным химическим составом (с учетом испарения некоторых компонентов в вакууме) перемещается по мере оплавления.
Время выдержки жидкого металла в кристаллизаторе и температуру металла можно регулировать в относительно широком диапазоне, что особенно важно для удаления в вакууме вредных примесей с низкой температурой испарения.
Размеры электродов могут быть разнообразнее, чем при ЭШП и ВДП, где их сечение и длина согласованы с размерами кристаллизаторов.
Плазменно-дуговая плавка (ПДП). В настоящее время в промышленности используют ПДП с керамическим тиглем и с водоохлаждаемым медным кристаллизатором.
Источник тепла — плазма, создаваемая в плазмотронах продувкой потока аргона или другого газа через вольтовую дугу. При использовании аргона температура направленного потока составляет 3000—4000° С. Плазмотроны направляют плазменный поток на шихтовые материалы или плавящийся электрод.
В ПДП с водоохлаждаемым кристаллизатором применяют герметичную камеру, что создает широкие возможности в варьировании давления (вакуум или повышенное давление), состава газовой среды (окислительная, нейтральная, восстановительная) и температуры. Таким образом в ПДП могут быть созданы условия, предотвращающие испарение соста
Стали специальных способов выплавки
279
вляющих. Использование высокотемпературной плазмы позволяет проводить глубокую рафинировку металла при небольшом вакууме. Вакуумная система ПДП проще и дешевле, чем ВДП.
Влияние специальных способов выплавки на свойства стали
Электрошлаковый переплав. Влияние переплава в ЭШП под шлаком CaF2—А12О3 на химический состав стали 40ХН2МА показано в табл. 120.
120. Химический состав (%) стали 40ХН2МА в зависимости от способа выплавки
Применение ЭШП уменьшает анизотропию механических свойств стали 1Х12Н2ВМФ (табл. 121).
121. Изменения механических свойств стали 1Х12Н2ВМФ в зависимости от способа выплавки
Способ выплавки. Расположение образцов % % ан> кгс - м/см2
ОДП В продольном направлении В поперечном направлении 16,2 11,5 70,1 45,1 18,4 7,8
ЭШП В продольном направлении В поперечном направлении 16,0 14,8 71,8 66,0 16,3 12,0
Улучшение макроструктуры стали после переплава в ЭШП видно из норм, установленных для конструкционной легированной стали в ГОСТ 4543—71 (табл. 122).
Исследование сплава ХН62МВКЮ ГОСТ 5632—72**, переплавленного в ЭШП, показало общее снижение количества неметаллических включений на 43—77% по сравнению с имеющимся в металле электродов, а количество оксидов и сульфидов уменьшилось с 2,5 до 1 балла. При этом содержание водорода уменьшилось на 24—92%, а содержание азота составляло 36—137% от исходного. На содержание азота, по-видимому, оказывают влияние состав и количество шлака, а также различие электрического режима отдельных плавок.
280
Черные металлы и сплавы
122. Макроструктура стали ЭШП и обычных способов выплавки (ГОСТ 4543—71)
Категория стали Макроструктура стали, балл (не более)
Центральная пористость Точечная неоднородность Ликвацион-ный квадрат Общая пятнистая ликвация Краевая пятнистая ликвация Подусадочная ликвация
Качественная ... . . Высококачественная . . Электрошлакового переплава (ЭШП) • ... 3 2 1 3 2 1 3 2 1 1 1 Не допускается То же 1 1
Вакуум но-индукционная плавка (ВИП). Плавка по этому методу приводит к снижению содержания примесей цветных металлов, что видно на примере выплавки жаропрочного сплава (табл. 123).
Снижаются также содержание и размеры неметаллических включений, что видно из сравнения результатов выплавки пружинного сплава 36НХТЮ в открытой индукционной печи ОИП и в ВИП (табл. 124).
123. Содержание примесей (%) после ВИП
Объект исследования РЬ Bi Си
Шихта 0,001 0,001 0,050
Металл после ВИП 0,0005 0,0005 0,034
124. Средний балл неметаллических включений после ВИП и ОИП
Способ выплавки Нитриды Карбонитриды Оксиды Силикаты
ОИП ВИП 4 2,5 0,5 <0,5 0,5 0 0 0
Содержание водорода, кислорода и азота при одинаковой с открытой печью исходной шихте должно снижаться (табл. 125). При большем содержании водорода в шихте для ВИП, плохом перемешивании расплавленного металла и недостаточной выдержке рафинируемого сплава под вакуумом можно получить обратный результат.
125. Содержание газов в сплаве 79НМ
Способ выплавки о2 N, Н2, см3/100 г
%
ОИП 0,0040 0,002 6
ВИП 0,0015 0,001 10
Стали специальных способов выплавки
281
Снижение содержания вредных цветных металлов и газов, уменьшение количества неметаллических включений приводит к повышению длительной жаропрочности жаропрочных сплавов и магнитных свойств сплава типа пермаллой (табл. 126 и 127).
126. Жаропрочность сплавов ХН70ВМТЮ и ХН70ВМТЮФ
Способ выплавки Время до разрушения после ОДП и ВИП, ч
ХН70ВМТЮ * ХН70ВМТЮФ ••
ОДП 98 92
ВИП 142 116
• Температура испытания 850° С,- напряжение 20 кгс/мм’.
•• Температура испытания 850° С, напряжение 27 кгс/мм’.
127. Характеристики магнитных свойств сплава 79НМ
Способ выплавки Начальная магнитная проницаемость, Гс/Э Максимальная магнитная проницаемость, Гс/Э
оиП 31 700 123 000
ВИП 33 200 204 000
Вакуумно-дуговой переплав (ВДП). При ВДП мало изменяется содержание основных элементов в стали, лишь несколько снижается содержание марганца и кремния в случае наличия окислов на поверхности электрода или недостаточной раскисленности металла электрода. Содержание азота и кислорода в металле в результате ВДП значительно уменьшается (табл. 128).
128. Химический состав (%) стали после ОДП и ВДП
Способ выплавки С Si Мп S Сг Си n2 О2
ОДП 0,99 0,42 0,31 0,009 1,59 0,12 0,014 0,005
ВДП 0,97 0,39 0,29 0,009 1,58 0,11 0,003 0,003
Содержание примесей с низкой температурой испарения даже при небольшом их количестве в металле электрода значительно снижается в результате переплава в ВДП. В табл. 129 приведены результаты анализа стали ШХ15 после выплавки методом ВДП.
В табл. 130 показано влияние способа выплавки и качества исходных электродов (в случае ВДП) на усталостную прочность стали ШХ15.
Применение переплава в ВДП повышает срок службы теплостойких подшипников из стали типа быстрорежущей (0,8% С, 0,2% Si, 0,3% Мп, 4% Сг, 4,25% Мо, 1% Va) (табл. 131).
282
Черные металлы и сплавы
129. Содержание примесей (%) в стали ШХ15 после ОДП и ВДП
Способ выплавки РЬ В1 Sb Sn
ОДП 0,00006 0,00033 0,012 0,0005
ВДП 0,00004 0,00025 0,008 0,0005
180. Усталостная прочность стали ШХ15 различных методов выплавки
Способ выплавки Число плавок Предел выносливости^ кгс/мм8, на базе 240* циклов Число плавок Предел выносливости, кгс/мм8, на базе 140е циклов
ОДП 8 71,2 8 59,6
В кислой мартеновской печи 2 84,5 —
ВИП 1 91,5 1 82,0
ВДП (электрод из металла основной электропечи) . . 3 80,5 3 74,5
ВДП (электрод из металла кислой электропечи) • • • • 2 96,0 2 90,0
131. Долговечность подшипников в зависимости от способа выплавки стали
Способ выплавки Число плавок Время до выхода из строя 10% подшипников, тыс. ч
ОДП 6 1600
ВИП 10 2050
ВДП 14 3000
132. Долговечность подшипников после повторных переплавов ВДП
Способ выплавки Время до выхода из строя 10% подшипников, млн. ч Увеличение времени службы, %
ОДП . ... ВДП ВДП (два переплава) . . . ВДП (пять переплавов) . . 21,7 38,0 60,0 77,0 70 130 260
В табл. 132 показано влияние повторных переплавов в ВДП на увеличение времени службы подшипников из стали ШХ15.
Электронно-лучевой переплав (ЭЛП). Более глубокий вакуум, возможное повышение температуры и длительности рафинировки металла в вакууме в условиях ЭЛП по сравнению с ВДП снижает содержание неметаллических включений и газов. Результаты сравнительных испытаний стали ШХ15, выплавленной ВДП и ЭЛП, приведены в табл. 133.
Стали специальных способов выплавки
283
133. Содержание (%) неметаллических включений после ВДП и ЭЛП
Способ выплавки Оксиды Сульфиды Нитриды Сумма включений Кислород Азот
ВДГР 0,0123 0,0038 0,0027 0,0188 0,0026 0,0089
ЭЛП 0,0013 0,0013 0,0018 0,0044 0,0010 0,0015
Влияние переплава в ЭЛП на химический состав высокопрочной стали, содержание газов и неметаллических включений приведено в табл. 134 и 135.
134. Химический состав (%) высокопрочной стали после ОДП и ЭЛП
Способ выплавки С Si Мп Сг Си S
В открытой электропечи 0,41 1.8 0,81 1.8 0,14 0,007
ЭЛП (плавка № 1) 0,42 1,15 0,16 1.7 0,06 0,004
ЭЛП (плавка № 2) 0,42 1,16 0,12 1,64 0,06 0,003
135. Содержание газов и неметаллических включений (%) после ЭЛП и ОДП
Способ выплавки о2 n2 Н2 Неметаллические включения
ОДП 0,0024 0,0055 0,00192 0,010
ЭЛП (плавка Ke 1) 0,0012 0,0028 0,00032 0,0025
ЭЛП (плавка Кв 2) 0,0004 0,0036 0,00025 0,0020
ЭЛП стали ВКС-1 заметно уменьшает количество неметаллических включений и содержание газов, что ведет к улучшению механических свойств высокопрочной стали (табл. 136).
136. Характеристики механических свойств высокопрочной стали ВКС-1 после ОДП и ЭЛП
Способ выплавки ав> кгс/мм2 °0»2» кгс/мм2 es. % ан. кгс-м/см2
ОДП 205 170 10,4 5,9
ЭЛП (плавка Кв 1) 214 179 9,6 7,6
ЭЛП (плавка Кв 2) 221 187 9,0 7,4
284
Черные металлы и сплавы
При переплаве коррозионностойкой хромоникелевой аустенитной стали методом ЭЛП стандартные механические свойства несколько повышаются, тогда как ударная вязкость значительно возрастает (например, с 4,7 до 8,1 кгс-м/см2), а в хромистых сталях в несколько раз. При этом наряду со снижением содержания неметаллических включений и газов повышаются технологическая пластичность (горячая) и полируе-мость стали.
Повышение длительной прочности после переплава в ЭЛП сплава нимоник показано в табл. 137.
137. Жаропрочность сплава нимоник после ЭЛП и ОДП
Способ выплавки Длительная прочность *, ч Удлинение *, % Длительная прочность **, ч Удлинение %
ОДП 58 8,6 28 3,2
ЭЛП 114 14,3 50 U.4
* Температура испытания 850° С, напряжение 4,2 кгс/мм2.
♦♦ Температура испытания 820° С, напряжение 27 кгс/мм2.
Влияние переплава в ЭЛП на плотность, содержание газов и неметаллических включений стали ШХ15 по сравнению с другими способами переплава показано в табл. 138.
138. Содержание неметаллических включений и плотность стали после специальных способов выплавки
Способ выплавки Плотность стали, кгс/см3 Содержание, %
Оксиды Сульфиды Нитриды О2 N,
ОДП 7,8162 0,0126 0,0096 0,0020 0,0033 0,0104
ЭШП 7,8239 0,0108 0,0013 0,0019 0,0024 0,0082
вдп 7,8190 0,0094 0,0042 0,0019 0,0023 0,0070
ПДП 7,8284 0,0071 0,0041 0,0001 0,0022 0,0075
ЭЛП 7,8295 0,0058 0,0012 0,0001 0,0016 0,0033
В результате ЭЛП отмечается (табл. 139) уменьшение размеров включений в штамповой стали 4Х4М2ВФС.
Плазменно-дуговая плавка (ПДП). Выплавка стали в ПДП с керамическим тиглем повышает пластичность стали (табл. 140).
Переплав электродов в ПДП (с кристаллизатором) приводит к снижению содержания кислорода и неметаллических включений (табл. 141).
В случае переплава в ПДП не наблюдается потерь марганца и хрома (табл. 142).
Стали специальных способов выплавки
285
139. Характеристика неметаллических включений после ЭШП, ЭЛП и ОДП
Способ выплавки Включения, средние баллы (по 6 образцам) по ГОСТ 1778—70
Оксиды строчечные Оксиды точечные Сульфиды Силикаты хрупкие Силикаты не-дефор-мируе-мые Нитриды
ОДП 1.2 2,0 1.4 1,9 3,2 1.7
ЭШП 0,3 0,8 0,1 0,3 0,9 0,5
ЭЛП 0,1 0,5 •— 0,1 0,9 0,5
140. Пластичность и вязкость стали 12НЗМА после специальных способов выплавки
Способ выплавки Емкость печи, т Содержание газов, % Характеристики механических свойств
Кислород Азот Относительное удлинение 6В, % Относительное сужение, % Ударная вязкость, кгс м/см2
ОМП • 60 0,0027 0,013 10,3 42,8 7
ЭШП 9 0,0016 0,012
ПДП 0,3 0,0017 0,010 11,6 72,8 22,9
ОИП 0,1 0,0006 0,010 14,1 51 7,2
* Основная мартеновская плавка.
141. Содержание газов и неметаллических включений в сплаве 58Н после ОИП и ПДП
Способ выплавки Содержание, % Неметаллические включения, % (объем)
о2 N2 н2
ОИП 0,009 0,005 Не определ. 0,046
ПДП 0,0035 0,003 0,001 0,022
Комбинированные способы выплавки. Высокопрочная мартенситностареющая сталь, легированная титаном, в сечениях более 40—50 мм охрупчивается; вследствие медленного охлаждения от температур конца деформации в интервале 1000—700° С в процессе этого охлаждения по границам аустенитного зерна выделяется сетка карбидов и карбонитридов титана.
286
Черные металлы и сплавы
142. Химический состав (%) стали после ПДП и ОДП
Способ выплавки С Si Мп Сг Си А1
ОДП 1,03 0,33 0,43 1,45 0,07 0,032
ПДП 0,96 0,31 0,45 1,44 0,07 0,010
ОДП 1,03 0,27 0,39 1,43 0,08 0,018
ПДП 0,95 0,24 0,36 1,40 0,09 0.013
Глубокий вакуум и высокая в сочетании с предварительной в ВИП обеспечивают получение стали (табл. 143).
температура при переплаве в ЭЛП выплавкой металла для электрода лучших механических свойств этой
143. Характеристики механических свойств стали после специальных способов выплавки
Способ выплавки' кгс/мм2 б, % Ф, % *н, кгсм/см2
ОИП 194 5 27,5 2,5
ОИП—ВДП 205 5 31 3,5
ОИП—ЭЛП 205 8,5 48 4,5
ВИП—ЭЛП 212 9,5 54,5 5,2
При использовании комбинированных способов выплавки уменьшаются количество и размеры неметаллических включений в стали ШХ15 (табл. 144).
144. Характеристика неметаллических включений стали ШХ15 после двойного переплава
Способ выплавки Содержание неметаллических включений, % (объем)
Оксиды Сульфиды Нитриды Сумма включений Количество
до 6 мкм 6 мкм
ЭШП-ВДП 0,0004 0,0009 0,0008 0,0021 207 8
ЭШП-2ВДП 0,0003 0,0004 0,0004 0,0011 95 8
ВИП-ВДП 0,0004 0 0,0001 0,0005 77 0
Эти же способы выплавки повышают ударную вязкость стали ЗОХГСНМА (табл. 145).
Стали специальных способов выплавки
287
145. Ударная вязкость, кгс»м/см2, стали ЗОХГСНМА после комбинированных способов выплавки
Способ выплавки Температура, ®С
700 +20 *
ОДП ВДП ВДП + ВДП ВИП 4- ВДП * Образцы о надр 3,0 1,7 5,0 3,1 5,8 3,8 5,8 4,8 >езом. 1,0 0,7 1,4 1,1 1,5 1,3 2,3 2,0
Примечание. В числителе — ударная вязкость в продольном направлении, в знаменателе — в поперечном направлении.
Основные области применения
Шарикоподшипниковую сталь для изготовления приборных, специальных и особона груженных подшипников, работающих в тяжелых условиях и с длительным ресурсом, выплавляют в СССР методами ЭШП и комбинированными способами.
За последние годы метод ЭШП широко распространился в Англии, США, Франции и других странах, конкурируя с ВДП как более дешевый способ. Переплав ЭШП получает широкое распространение в производстве быстрорежущей стали. Уменьшение величины карбидов и карбидной ликвации приводит к повышению стойкости режущего инструмента и снижению стоимости обработки на металлорежущих станках.
Выплавку ВИП и комбинированным способом ВИП—ВДП широко используют в США для жаропрочных сплавов, применяемых в авиационной промышленности для изготовления деталей реактивных двигателей.
Метод ВИП используется для выплавки прецизионных сплавов с высокими электромагнитными свойствами, нержавеющей стали, из которой изготавливают тонкостенные полированные трубки, а также изделия с зеркальной полировкой.
Снижение анизотропии и повышение усталостной прочности наряду с резким уменьшением ликвации благоприятно сказывается на службе штампового инструмента, штамповые стали для ответственных дорогостоящих штампов выплавляют методами ЭШП и ВДП.
У высокопрочных легированных конструкционных сталей при выплавке в открытых электропечах после термической обработки недоста
288
Черные металлы и сплавы
точные пластичность и вязкость, выплавка их методами ЭШП и ВДП обеспечивают повышение вязкости.
С развитием изготовления печей для электроннолучевой и плазменно-дуговой выплавки большей емкости и снижением стоимости переплава в этих печах они найдут более широкое применение.
Сортамент продукции
Сталь электрошлакового переплава (ЭШП) поставляют заводы качественной металлургии в том же сортаменте, что и стали, выплавляемые в открытых дуговых электропечах.
Сталь вакуумно-дугового переплава (ВДП) изготовляют в виде круглых слитков, которые подвергаются ковке на заготовку и сутунку, что ограничивает ее сортамент и число заводов — изготовителей проката из этой стали.
Сталь вакуумно-индукционной плавки (ВИП) в настоящее время отливают в слитки массой менее 1 т. Необходимое использование 4— 6-кратной степени обжатия ограничивает сортамент проката из этой стали.
Сталь электронно-лучевого переплава и плазменно-дуговой плавки в настоящее время отливают в слитки небольшой массы, и это определяет сортамент проката из этой стали.
Перспективы развития
Развитие производства сталей специальных способов выплавки определяется расширением области их применения, что главным образом связано со стоимостью их изготовления.
Основной путь снижения стоимости стали специальной выплавки — увеличение мощности специальных электропечей. Массу слитков, как правило, целесообразно увеличивать до принятой при выплавке стали в открытых дуговых печах, что возможно при производстве стали методами ЭШП и ВДП и требует совершенствования конструкции и оборудования печами большей емкости ВИП, ЭЛП и ПДП.
Удешевление стоимости электродов для переплава путем изготовления их прокаткой вместо ковки и отливкой вместо прокатки и ковки также позволяет существенно снизить стоимость передела в печах с кристаллизаторами.
Совершенствование конструкций электропечей с одновременным снижением расхода электроэнергии и увеличением производительности также является эффективным путем уменьшения стоимости передела стали специальной выплавки.
С другой стороны, повышение эффективности использования стали специальной выплавки связано с полнотой выявления ее свойств и четкой оценкой ее преимущества по сравнению со сталью обычных способов производства.
Термическая обработка стали
289
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Основные виды термической обработки*
Основные виды термической обработки (табл. 146), изменяющие структуру и свойства стали и применяемые в зависимости от требований к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т. д.) и готовым изделиям, следующие: отжиг; нормализация; закалка; отпуск и старение.
Отжиг (табл. 147), цель которого — приблизить фазовое и напряженное состояние стали к равновесному, обычно разделяют на отжиг I и II рода.
Отжиг I рода включает в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Характерная особенность этого вида отжига — то, что указанные процессы происходят независимо от того, имеются ли при этой обработке фазовые превращения или не г.
Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация) бывает нескольких разновидностей: полный, неполный, изотермический и сфероидизирующий. При отжиге II рода конечное структурное состояние и свойства стали определяют происходящие в процессе их проведения фазовые превращения.
Разновидностями отжига II рода являются также такие процессы, кай нормализация и одинарная термическая обработка.
Закалку применяют для упрочнения стали, что ведет к образованию неравновесных структур (аустенита, мартенсита, бейнита и т. д.). В зависимости от нагреваемого объема закалку обычно разделяют на объемную и поверхностную.
В зависимости от метода охлаждения, принятого при закалке, различают закалку непрерывную, прерывистую, ступенчатую, изотермическую и закалку с самоотпуском.
Отпуску подвергают закаленную сталь для перевода неравновесной структуры в более равновесную, обеспечивающую заданный комплекс свойств. Температура отпуска не превышает точки АсР В зависимости от температуры нагрева различают отпуск высокий, средний и низкий. К отпуску следует отнести и процесс старения. Под старением применительно к стали, следует понимать нагревы незакаленной стали, находящейся в неравновесном состоянии, для получения более стабильного состояния. Старение может быть термическим и деформационным.
Нагрев для термической обработки
Основная задача нагрева стали при термообработке (отжиг, нормализация, закалка) — перевод исходной структуры в аустенит и получение возможно более мелкого зерна. Представление об изменениях фазового состава, происходящих в условиях очень медленного нагрева выше
♦ Классификация различных видов термической обработки дается по акад. Бочвару А. А. и рекомендациям по классификации и терминология термической обработки комиссии по стандартизации СЭВа.
10
146. Общая характеристика основных процессов термической обработки стали
Термическая обработка Условия нагрева Охлаждение * Назначение
Отжиг гомогени-зационный 1 На 160—300* С выше точки Лс3, чаще 1100— 1150° С. Продолжительность выдержки 8—15 ч. Скорость нагрева не менее 100* С/ч Отжиг I рода Медленное (с печью) Для крупных фасонных отливок и слитков из легированной стали с целью получения однородной (гомогенной) структуры путем устранения (ослабления) дендритной ликвации. Для уменьшения возможности образования флокенов, шиферно-сти, карбидной ликвации и других дефектов после обработки под давлением и улучшения механических свойств фасонных отливок
Отжиг рекристаллизационный * Выше температуры начала рекристаллизации. Чаще 660—710° С (табл. 147). Продолжительность выдержки 3—6 ч (садка до 20 т) Медленное до 550° С (под колпаком или муфелем) После холодной обработки под давлением (калибровка, прокатка, вытяжка, штамповка, волочение и т. д.) как межоперационная обработка для уменьшения твердости и увеличения пластичности (снятия наклепа)
Отжиг, умень- шающий напряжения Отжиг полный ’ I 200—700° С На 30—50* С4 выше точки Acs Медленное Отжиг II рода Медленное до 500—550° С, чтобы обеспечить распад аустенита при небольшом переохлаждении (кривая / на рис. 33). Скорость Для снятия остаточных напряжений после литья, сварки, пластической деформации или механической обработки Для доэвтектоидных сталей с целью снижения твердости, улучшений обрабатываемости, снятия внутренних напряжений.
Черные металлы и сплавы
1 охлаждения в зависимости от состава стали, величины садки, формы и размера поковки — от 15 до 150° С— 1 ч устранения или уме [мнения структурной неоднородности, измельчения зерна, подготовки структуры стали к последующей термической обработке
Отжиг изотермический На 30 — 50* С выше точки Ас3 (для доэвтектоид-ной стали) или Act (для заэвтектоидной стали) Ускоренное до температуры наименьшей устойчивости аустенита в перлитной области (чаще 650—680® С), выдержка при данной температуре для полного распада аустенита и последующее относительно ускоренное охлаждение (рис. 33, в — кривая 4) Для ускорения отжига небольших садок проката или поковок из легированной стали
Отжиг неполный В интервале температур Ас± и Ас3 (Acmj Медленное до 500—650® С Для снижения твердости, улучшения обрабатываемости, снятия внутренних напряжений
Отжиг сфероидизирующий (для сфероидизации цементита) Нормализация (отжиг нормализа-ционный) 6 Несколько выше температуры Асх На 50—60® С выше точки Дсэ для эвтектоидной или Аст для заэвтектоидной стали а) 30—40° С — 1 ч до 600° С и далее на воздухе; б) 20 — 30° С — 1 ч до 680® С, выдержка для выравнивания температуры садки и далее снижение температуры до 600° С с той же скоростью. Дальнейшее охлаждение — на воздухе Нормализация На спокойном воздухе (рис. 33, а — кривая 2) Для инструментальных сталей с целью снижения твердости, улучшения обрабатываемости резанием, подготовки структуры и окончательной термической обработки и устранения остаточных напряжений, а также для низко-и среднеуглеродистых сталей (листки, прутки) перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности Для получения мелкого зерна, равномерного распределения структурных составляющих, улучшения обрабатываемости низкоуглеродистой стали, устранения карбидной сетки в заэвтектоидной стали перед сфероидизацией, улучшения механических свойств, снижения порога хладноломкости
Термическая обработка стали
Продолжение табл. 146
Термическая обработка Условия нагрева Охлаждение Назначение
Закалка непрерывная (в одном охладителе) На 30-ь- 50е С выше точки Ася для стали доэвтек-тоидной или точки Act для заэвтектоидной стали или температуры растворения избыточных фаз в сплавах Закалка Чаще быстрое охлаждение (вода, масло и другие среды) для переохлаждения аустенита до мартенситной точки Мн. Скорость охлаждения должна быть выше критической (рис. 33, а — кривая 3) В сочетании с отпуском — для получения высокой твердости, износостойкости, а также для получения высоких механических свойств
Закалка прерывистая (в двух средах) То же Сначала быстрое охлаждение в воде до температуры несколько выше М н с последующим более медленным охлаждением в масле. Выдержка в воде — ориентировочно в течение 1 о на каждые 5—6 мм диаметра (толщины) Для инструмента из углеродистой стали. Замедленное охлаждение в области температур образования мартенсита способствует уменьшению остаточных напряжений и деформаций (коробления)
Ступенчатая закалка (см. табл. 149) То же В расплавленных солях, имеющих температуру несколько выше точки Л4Н. Выдержка в расплавленных солях должна обеспечить выравнивание температуры по сечению изделий, но не вызвать распада аустенита. Окончательное охлаждение — на воздухе или в другой закалочной среде (рис. 33, б — кривая 4) Для закалки мелкого инструмента из углеродистой стали (У8, У10, У12, У13), более крупного из легированной (X, 9ХВГ, ХВГ, 9ХС и др.) и быстрорежущей стали (Р18, Р12, Р9 и др.). Для уменьшения напряжений, деформаций (коробления) и предупреждения образования трещин
Изотермическая закалка (см. табл. То же В расплавленных солях, имеющих температуру несколько вы- Наряду с минимальными деформациями для некоторых кон-
Черные металлы и сплавы
150) те точки Мн (250 — 400® С). Выдержка в солях должна обеспечить возможно более полный распад аустенита, чаще в течение 20 — 40 мин. Окончательное охлаждение — на воздухе (рис. 33, в — кривая 6) струкционных сталей (ЗОХГС, 30ХГСН2А, ЗОХГСНМА и др.), для высокой прочности и повышения сопротивления отрыву и работу распространения трещины. При изотермической закалке инструментальных сталей (6ХС, 5ХВС2, 9ХС, ХВГ и др.) на твердость HRC 40—50 для повышения пластичности, предела выносливости и сопротивления износу
Закалка с самоот-пуском То же В воде или масле в течение времени, достаточного для прокаливания изделий на определенную глубину с последующим замедленным охлаждением на воздухе для отпуска вследствие выравнивания температуры по сечению за счет теплоты, сохранившейся во внутренних слоях изделий Для местной закалки изделий, имеющих несложную конфигурацию, и при индукционной поверхностной закалке
Закалка с обработкой холодом — Закалка, заключающаяся в продолжении охлаждения до температуры Л1к Для повышения твердости и стабильности размеров. Рекомендуется для сталей, у которых точка Мк лежит в области отри-
цательных температур
Отпуск
Низкий отпуск 150—250 Медленное ускоренное охлаждение Для снижения внутренних напряжений; сохранения высокой твердости и износостойкости при повышении сопротивления хрупкому разрушению. Для режущего и мерительного инструмента, после поверхностной индукционной закалки, после закалки цементированных изделий и т. д.
Термическая обработка стали
Продолжение табл. 146
Термическая обработка Условия нагрева Охлаждение Назначение
Средний отпуск 350-500 Медленное или ускоренное охлаждение Для пружин и рессор. Обеспечивает высокий предел упругости
Высокий отпуск 500—680 Медленное или быстрое (масло, вода) для сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости Для получения максимальной вязкости при сохранении относительно высоких значений предела прочности и текучести и повышенного сопротивления хрупкому разрушению; для получения минимальных внутренних напряжений
1 При гомогенизации образуется крупное зерно. Измельчают зерно при последующей прокатке (ковке) и термической обработке. Длительность гомогенизации 80—100 ч и более. Вместо отжига слитков можно производить гомогенизацию деформированной заготовки, увеличив время нагрева перед последним пределом. 8 В последнее время после протяжки (калибровки) сортового металла, а также для жести широко применяют рекристаллизационный отжиг с индукционным нагревом. 8 Применение отжига целесообразно в тех случаях, когда требуется фазовая перекристаллизация для измельчения зерна и устранения неоднородности микроструктуры, возникающей в стали после прокатки (ковки). Если требуется только снижение твердости, то рекомендуется высокий отпуск при 660—700® С. Продолжительность высокого отпуска — 0,55—0,65 ч на 1 т садки. 4 Стали, имеющие близкие значения критических точек и устойчивость переохлажденного аустенита для отжига, объединяют в одну группу. Их подвергают отжигу одновременно одной садкой в печи. 5 Нормализация удорожает и удлиняет процесс обработки, и поэтому следует принимать все необходимые меры на предшествующих стадиях металлургического передела, чтобы предотвратить рост зерна во время предыдущих нагревов и образование цементитной (карбидной) сетки в заэвтектоидной стали. Для легированных сталей охлаждение на воздухе приводит к полной или частичной закалке. Поэтому после их нормализации производят высокий отпуск, особенно, когда изделия имеют небольшие размеры. • Температура расплавленных солей для углеродистой инструментальной стали — 160—180® С, для легированной — до 220® С и для быстрорежущей — 400—500° С.
Черные металлы и сплавы
Термическая обработка стали
295
147. Температура рекристаллизационного отжига стали
Вид обработки давлением, после которой выполняется отжиг Стали Температура отжига, °C
Холодная прокатка 08, 08КП, ЮКП, 15, 20 10Г2А, 12Г2А 12X17 10Х18Н9 680—700 550 — 570 800—850 1050—1150
Холодная вытяжка (штамповка) 08, 08КП, 10, 15, 20 600-650
Холодное волочение труб 10, 15, 25, 30, 35, 40, 45, 50, У7, 15Х, 20Х, 15ХМ, 40Х, ЗОХГСА, ШХ15 38ХМЮА 12Г2А 10Х18Н9Т 680-700 750—770 620-640 1100—1150
Холодная протяжка (калибровка) прутков У7, У8, У9, У10, У12, У13, Ф ШХ15, X, 9Х, Х05, 9ХС, ХГС, ХВГ, ЗОХГСА, 40Х Р18, Р9, Х12, Х12Ф1, 1X13, 2X13, 3X13, 4X13 12ХНЗА, 37XH3A, 40ХНМА 18Х2Н4ВА 700 730 760 670 660
Холодное волочение проволоки СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, 08, 10, 15, 20 — 50, У7 —У12 690-710
температуры фазовых превращений, дает диаграмма состояния железо-углерод (рис. 29).
Однако в реальных условиях нагрева превращения протекают при более высоких температурах, чем это указано на диаграмме железо— углерод. Чем больше скорость нагрева, тем выше температура превращения (рис. 29).
Зернистость стали. При нагреве в области температур существования стабильного аустенита (выше критических) происходит рост зерна аустенита.
Для характеристики поведения стали при нагреве в отношении изменения зерна принято различать три вида зерна аустенита.
1. Начальное зерно аустенита — аустенитное зерно в момент окончания превращения перлита в аустенит.
2. Природное (наследственное) зерно аустенита. Различают два предельных случая: а) наследственно-мелкозернистую сталь, у которой заметный рост зерна имеет место лишь при сильном перегреве выше точки Ас3 для доэвтектоидных сталей и выше для заэвтектоидных сталей; б) наследственно-крупнозернистую сталь, у которой быстрый рост зерна аустенита наблюдается сразу при повышении температуры выше критических точек Ас^ (Ас3) и далее также идет ускоренно.
296
Черные металлы и сплаеы
Рис. 2 9. Диаграмма превращения феррито-карбидной структуры в аустенит при разных температурах и скоростях нагрева для стали, содержащей 1,0% С и 1,5% С (штриховые линии и цифры рядом показывают количество нерастворив-шихся в аустените карбидов при данных условиях нагрева в %):
/ _ начало превращения перлита (феррито-карбидной структуры в аустенит); II — конец превращения феррита в аустенит; III — конец растворения карбидов в аустените; IV — область температур гомогенизации аустенита (выше этой области температур аустенит однороден)
Наследственное зерно определяется условиями раскисления и составом стали. Стали, раскисленные алюминием, наследствен но-мел козерн истые.
В сталях, раскисленных алюминием, образуются дисперсные частицы A1N, тормозящие рост зерна аустенита. Растворение этих частиц влечет за собой быстрый рост зерна. Нерастворен-ные в аустените карбиды легирующих элементов (TiC, VC, NbC и др.) также задерживают рост
зерна.
3. Действительное зерно аустенита — это зерно, полученное при нагреве стали до той или иной температуры. Действительное зерно аустенита определяет и величину зерна перлита или феррита.
Свойства стали определяет действительное зерно. Величина зерна аустенита не оказывает существенного влияния на свойства, получаемые при испытании на статическое растяжение (ов, о0, 2> ф), и твердость,
но с ростом зерна резко снижается ударная вязкость, особенно при высокой твердости (после закалки и низкого отпуска), уменьшается работа распространения трещины и повышается порог хладноломкости. Чем крупнее зерно, тем более склонна сталь к закалочным трещинам и деформациям. При одинаковой твердости сталь с крупным зерном лучше обрабатывается резанием, но это имеет ограниченное практическое
применение.
Наследственное зерно определяет технологию термической обработки. Наследственно-мелкозернистая сталь менее чувствительна к перегреву, поэтому она имеет более широкий интервал температур нагрева при термической обработке.
Выявление зерна аустенита производится по стандартной методике (ГОСТ 5639—65). Балл по зерну устанавливается под микроскопом при увеличении в 100 раз путем сравнения видимых на шлифе зерен с эталонными (рис. 30).
Термическая обработка стали
297
148. Режим ступенчатой закалки инструментальной стали (по Ю. А. Геллеру)
Сталь Температура закалки, °C Температура изотермической выдержки (соляная ванна), °C Твердость НРС
У7А 800 — 820 59-61
У8А—У9А 780 — 790 60-62
У10А—У12А 790—810 61 — 62
Х06 810—830 150-180 62-64
ХВ 820—840 62-64
У13Х (Х05) 810—830 62-64
85ХФ 820—850 62-63
9ХС 870—880 160—200 62—64
ХГСВ 860-875 160-200 62—63
ХГС 860—870 160-180 61-63
ХВГ 830—850 160—200 61-63
X (ШХ15) 845—855 160—180 61 — 64
6ХС 860—875 250—300 45 — 50
Р9 1280—1300 400—500 (250 — 350) 60-61
Р18 1240—1250 400—500 (250—350) 60—61
Температура аустенитизации. Температура отжига, нормализации и закалки большинства легированных конструкционных сталей и многих инструментальных сталей также устанавливается несколько выше Ас3 (доэвтектоидные стали) или Асг (заэвтектоидные стали) (см. табл. 147, 148, 149).
Чрезмерное повышение температуры связано с ростом зерна аустенита и поэтому ведет к снижению механических свойств, особенно к увеличению хрупкости.
Для многих сталей температура аустенизации под закалку значительно превышает точки Ас± или Ас3 и определяется температурой растворения карбидов в аустените и получения нужной степени легированности у-твердого раствора. Это повышение температуры не сопровождается перегревом, так как замедленно растворяющиеся или нерастворенные карбиды тормозят рост зерна аустенита. Так, при нагреве под закалку хромистых сталей, например 20X13 и 30X13 (11—14% Сг), до 900° С (несколько выше Ас3) завершается а -> у-превращение, но в структуре остается большое количество карбидов. Поэтому для растворения карбидов типа Ме23Св и легирования аустенита эти стали закаливают с температур, значительно превышающих Ас3 (1050—1150° С)*.
Быстрорежущие стали под закалку нагревают до очень высоких температур (1225—1290° С). Лишь при таком нагреве растворяется достаточное количество специальных карбидов и аустенит в предельной степени насыщается легирующими элементами, но зерно при этом остается мелким.
Продолжительность нагрева при аустенитизации стали. Продолжительность нагрева под отжиг, нормализацию, закалку должна обеспечить прогрев изделия (заготовки полуфабрикатов и т. д.) по сечению
♦ Более высокие температуры приводят к увеличению количества избыточного б-феррита.
298
Черные металлы и сплавы
149. Режимы изотермической закалки конструкционной стали
Сталь Максимальная толщина или диаметр изделий, мм Температура нагрева для изотермической закал- ки, °C Температура закалочной ванны, °C Время выдержки в ванне, мин Предел прочности после изотермической закалки, кгс/мм?
25Х2ГНТА Для труб и пластин — 15; для цилиндрических изделий — 30 870—880 200—260 30—40 140—160
40ХНВА Для труб и пластин — 15; для цилиндрических изделий — 30 870 — 880 315—325 20—30 100—110
30Х2Н2ВА Для труб и пластин — 25; для цилиндрических изделий — 30 870— 880 300—325 30—40 100^110
ЗОХГСА Не более 15 870—890 370—400 * 360—390 15—20 15—20 110—120 120—140
ЗОХГСНА и ЗОХГСНМА * Чем ванны. 80—100 больше сечение д< 890—910 этали, тем i 280—320 270—300 240—280 <иже темпе] 60 60 60 ратура за 140—160 150—170 160—175 калочной
и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.
Общая продолжительность нагрева
Тобщ = Тс. п + Ти. в»
где тс. п — продолжительность сквозного прогрева до некоторой конечной температуры (определяется формой и размером изделия, их расположением, типом печи, составом и свойствами стали и т. д.); ти, в — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре (не зависит от формы и размера изделия и определяется только составом и исходным состоянием стали).
Для определения Тобщ чаще пользуются опытными данными (см. табл. 150, 151, 152) или эмпирическими формулами.
При отжиге (нормализации) сортового проката и мелких поковок скорость нагрева не ограничивают и устанавливают ее максимально возможной по тепловой мощности печи (чаще 100° С/ч). В этом случае
Термическая обработка стали
299
3epnoi Зерно?
Зерно 5 зерно 6
Рис. 30. Шкала размеров зерна [цифры указывают номер (балл) зерна], увеличение в 100 раз.
300
Черные металлы и сплавы
металл загружают в печь непосредственно после выгрузки предыдущей садки (температура печи 400—500° С). Общую продолжительность выдержки (с учетом продолжительности прогрева) для поковок чаще определяют исходя из средней нормы времени на 1 мм поперечного сечения поковки. Для поковок из углеродистой стали эта норма составляет 1,0—1,2 или 1,4—1,6 мин/мм при укладке соответственно в один или несколько рядов по высоте. Для легированных сталей норма соответственно 1,3—1,6 или 2,0—2,2 мин/мм. Продолжительность выдержки сортового проката установлена опытным путем в зависимости от типа печи, группы сталей, массы садки (табл. 150).
150. Нормы выдержки при отжиге сортового проката в камерных печах *
Стали Выдержка (ч) на 1 т при массе садки
10—15 т 15-20 т 20—25 т 25—30 т
Инструментальные легированные, быстрорежущие Инструментальные углеродистые . . • Шарикоподшипниковые 0,7—0,75 0,6—0,65 0,95—1,05 0,65—0,7 0,55—0,6 0,85—0,95 0,6-0,65 0,5—0,55 0,75—0,85 0,55—0,6 0,45—0,5 0,65—0,75
* Время отсчитывается с момента достижения в печи температуры. заданной
На машиностроительных заводах продолжительность сквозного прогрева изделий под закалку принимают согласно данным табл. 151.
151. Ориентировочная продолжительность нагрева изделий для закалки до 800—850* С в различных печах
Место нагрева Продолжительность нагрева (с) на 1 мм диаметра или толщины изделия
Круглое сечение Квадратное сечение Прямоугольное сечение
В электропечи • • 40—50 50—60 60—75
В пламенной печи 35—40 45—50 55—60
В соляной ванне • 12—15 15—18 18—22
В свинцовой ванне 6—8 8—10 10—12
Для крупных изделий, например штампов, рекомендуются нормы нагрева, указанные в табл. 152.
На других заводах принято следующее время нагрева (мин) на 1 мм сечения: в электропечи — 1,5—2, в пламенной печи — 1,0, в соляной ванне — 0,5 и в свинцовой ванне — 0,1—0,15.
Термическая обработка стали
301
152. Продолжительность нагрева и выдержки штампов (в пламенной печи) для закалки
Операция Продолжительность операции для штампов с наименьшей стороной, мм
300 350 400 500 600 700
Выдержка после загрузки в печь (600 — 650* С) 30 мин 30 мин 1 ч 1 ч 30 мин 2 ч 2 ч
Нагрев до температуры закалки (920 — 870° С) 8 ч 30 мин 10 ч 11 ч 13 ч 30 мин 16 ч 19 ч
Выдержка при тем- 1 ч 2 ч 2 ч 3 ч 3 ч 4 ч
пературе закалки 50 мин 10 мин 30 мин 00 мин 40 мин
П р и м е ч а увеличиваются на н и е. При нагреве 30—40%. в электрической печи эти нормы
153. Значения коэффициента Kt для различных сталей
Стали Температура нагрева, °C Ki, мин/см
Углеродистые и низколегированные 1 (45, 50, 800 12,5
У8, У10, ПХ, 40Х, 50Х, 9ХС, X, ХГР) 850 11,3
870 10,8
900 10
950 8,8
Высокохромистые 2 и среднелегированные 1000 8,0
(ХВСГ, Х12, Х6ВФ) 1050 7,4
1100 6,7
1150 6,0
Быстрорежущие 2 (Р18, Р12Ф2, Р12, Р9 и др.) 1200 5,4
1210 5,3
1220 5,1
1230 5,0
1240 4,9
1250 4,8
1275 4,4
1300 4,1
560 9 10,3
1 Предварительный подогрев до 400- -500° С и окончательный
нагрев в расплаве, содержащем 78% ВаС1 + 22% NaCl.
2 Предварительный подогрев до 860- -880° С и окончательный
нагрев в расплаве 100% BaCls.
* Нагрев при отпуске в расплаве KNOe.
302
Черные металлы и сплавы
Продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре принимают равной 15—25% от продолжительности сквозного прогрева. Однако такая выдержка непригодна для изготовления инструмента сложной формы.
Для практического определения продолжительности нагрева стальных изделий сложной формы при всестороннем нагреве хорошие результаты дает формула, предложенная Е. А. Смольниковым:
V
Тобщ = К1 р" 4" Ч-И. В>
где Ki — коэффициент, зависящий от состава и физических свойств нагреваемой стали, температуры и способа нагрева (значения коэффициента даны в табл. 153); -=-характеристический размер, предста-
г
вляющий собой отношение объема нагреваемого тела V к его поверхности F. Эта величина определяется из формул, приведенных в табл. 154, или по специальной номограмме; К$ — критерий формы (см. табл. 154); Кк — коэффициент конфигурации нагреваемого изделия, величина которого для инструментов различного типа находится в пределах от 0,45—0,65 (круглые плашки, червячные, резьбовые насадные и торцовые насадные фрезы) до 0,85—1,0 (резьбонакатные ролики, ножи, плоские плашки, цилиндрические фрезы и все «гладкие тела», не имеющие канавок).
154. Формулы для определения и Кф
Тело V F •е* *
Шар D 6 1
Куб D 6 1,4
Длинный сплошной цилиндр DH 1 + 0.2 4
АН + 2D
Прямая призма с основанием в виде любых правильных многогранников DH 1 + 0,2 Н + N 4- 1
АН + 2D
Полый цилиндр (кольцо) (D — d) Я 14-02
АН 4- 2 (D - d) + ’ D - d
Пластина (параллелепипед) АВС 1 + 0,2 (-B-+-J-)
2 {АВ 4- АС 4- ВС)
Примечание. В таблице приняты обозначения: D — диаметр (диаметр вписанного круга), см; d — внутренний диаметр, см; А, В, С — габаритные размеры, см; N число граней; Н — толщина (высота) изделий, см.
155. Основные контролируемые атмосферы
Условное обозначение Название Состав, % (объемные) Точка росы, °C Выход атмосферы из 1 м3 или 1 кг исходного продукта
СО СО2 н2 СН4 N2 Н2О
кг-во Эндотермическая атмосфера с частичным сжиганием при а = 0,25 в присутствии ка-тализатора 21 0,5 40 2 37 До 0,06 До —20 4 — 4,5
ПС-06 Богатая экзотермическая атмосфера с частичным сжиганием при а = 0,6 без очистки и осушки 10 6 15 0,5 68,5 2.3 + 20 7—21
ПСО-06 То же, но с очисткой и осушкой Бедная экзотермическая атмосфера с почти полным сжиганием при а =0,9 без очистки и осушки 10 0,1 16 1,5 72,5 0,01 -40 6,5—19
ПС-09 1 10 1 88 2,3 + 20 8,5-29
ПСО-09 То же, но с очисткой и осушкой 2 0,1 2 — 96 0,01 — 40 7,5-22
Диссоциированный аммиак без осушки 75 25 0,01 — 40 2,64
ДА То же, но с осушкой (безводный диссоциированный ам-миак) 75 25 0,002 — 60 2,64
ПСА-08 Диссоциированный аммиак с частичным дожиганием водорода при а =0,74,0,9 с глубокой осушкой .... 7 — 20 93-80 0,1—0,01 — 20е—40 4,4-3,8
2 Технический азот, очищенный от примесей кислорода при помощи водорода, диссоциированного аммиака в присутствии катализатора .... — — 2-4 — 96-98 До 0,0018 До —65 —
Термическая обработка стали
00
156. Основные типы контролируемых атмосфер, рекомендуемых для термической обработки деталей из различных сталей и сплавов
Материалы изделий Операции
Светлый отжиг Светлая нормализация Светлая или чистая закалка Светлое старение и светлый низкий отжиг Светлый отпуск и подогрев до 700° С
Малоуглеродистые стали ДА; ПСА-08; ПСО-09 ПСА-08? ПСО-09 — ПСО-09; очищенный азот ПСО-09: очищенный азот
Средне- и высоколегированные стали ПСО-06; ПСО-09 ПСО-06; ПСО-09; КГ-ВО ПСО-06; КГ-ВО ПСО-09; очищенный азот ПСО-09; очищенный азот
Легированные стали ПСО-06; ПСО-09 ПСО-06; КГ-BO: ПСО-09 ПСО-06; КВ-ВО ПСО-09; очищенный азот ПСО-09; .очищенный азот
Легированные инструмен- тальные и быстрорежущие стали ПСО-06; ПСО-09 ПСО-06; ПСО-09; КГ-ВО ПСО-06; КГ-ВО ПСО-09; очищенный азот ПСО-09; очищенный азот
Нержавеющие стали ДА; Н2; ПСА-08 Вакуум 1 • 10“2 мм рт. ст. | ДА; водород; ПСА-08 ДА; Н2; ПСА-08 Вакуум 1 • 10”2 мм рт. ст. ПСА-08 —
Жаропрочные сплавы на никелевой основе — — Вакуум 1 • 10"* мм рт. ст.; очищенный аргон, гелий, водород, ДА, ПСА-08 Вакуум 1 • 10“* мм рт. ст.; очищенный аргон, гелий —*
Электротехнические стали и трансформаторное железо ДА? ПСА-08? водород; вакуум 1 • 10”8 мм рт. ст. — — — —
Черные металлы и сплавы
Термическая обработка стали
305
Величина ти. в должна быть минимальной, но должна и обеспечить завершение фазовых превращений в стали и необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените.
Величина ти. в для углеродистых сталей (45, 50, У7, У8, У10, У13) составляет 1,0 мин, для легированных сталей (40Х, 50Х, ИХ, X, ХВГ и др.) 1,5—1,9 мин, для высокохромистых (Х12, Х12Ф1) 3,2—3,1 мин, для быстрорежущих (Р9, Р12, Р18) 1,1—1,7 мин. Инструмент сечением 8—10 мм или меньшим, но нагреваемый целыми партиями, следует подогревать. Инструмент из углеродистых и малолегированных сталей предварительно подогревают до 300—500° С, а быстрорежущие стали подвергают двухступенчатому подогреву при 400—500° С и 840—860° С или 400—500° С и 1040—1060° С. Подогрев уменьшает деформацию и позволяет сократить продолжительность нагрева при высоких температурах.
Выбор среды. При нагреве в пламенных или электрических печах взаимодействие печной атмосферы^ поверхностью нагреваемого изделия приводит к окислению и обезуглероживанию стали. Для предохранения изделий от окисления и обезуглероживания в рабочее пространство печи вводят защитную газовую сре^у (контролируемые атмосферы).
В табл. 155, 156 приведен состав наиболее часто применяемых атмосфер.
Контролируемые атмосферы представляют собой искусственные газовые атмосферы, обычно получаемые в специальных газоприготовительных установках—генераторах из различных видов твердых, жидких и газообразных материалов с последующим их сжиганием и очисткой продуктов сгорания от различных вредных компонентов (серы, аммиака).
При термической обработке жаропрочных сплавов нередко применяют вакуум (10"2—10"3 мм рт. ст.). Недостаток глубокого вакуума при высокотемпературном нагреве — возможность обеднения сплавов легирующими компонентами.
Режущие и другие мелкие инструменты чаще нагревают в расплавленных солях. При правильном выборе состава (табл. 157) и тщательном
157. Составы солей, применяемых для подогрева и окончательного нагрева инструмента под закалку
Соль Состав, % 1 Температура применения, °C Назначение
БН2 68 ВаС18 4- 30 NaCI + 2 MgF8 78 ВаС18 4- 22 NaCI 56 KC1 4- 44 NaCI 8 780—950 750—900 750—900 Для углеродистых и малолегированных сталей
БМЗ БМ5 97 BaCl8 4- 3 MgF8 95 BaCl2 4- 5 MgF8 1000—1300 1200—1300 Для быстрорежущей стали
1 Для предотвращения обезуглероживания нагреваемых изделий в соляные ванны вводят ректификаторы — буру, ферросилиций, фтористый магний. 2 Применяют для светлой закалки, так как не образует осадка при взаимодействии с едкими щелочами, в которых охлаждается изделие.
306
Черные металлы и сплавы
раскислении ванн в них обеспечивается хорошая защита от окисления и обезуглероживания. Для таких ванн обычно применяют хлористые соли (СаС12 и NaCl, ВаС12 и др.), так как, например, в углекислых солях, содержащих кислород, возможны окисление и обезуглероживание.
Охлаждение при термической обработке
Фазовые превращения. Для установления режима охлаждения при различных видах термической обработки, обеспечивающего получение заданной структуры, а следовательно, и свойств стали, пользуются диаграммами изотермического (рис. 31) и термокинетического (рис. 32) распада переохлажденного аустенита.
Рис. 31. Основные виды диаграмм изотермического превращения переохлажденного аустенита:
а — углеродистые стали; б — низколегированные стали, не содержащие карбидообразующих элементов; в — легированные конструкционные стали; г — легированные инструментальные стали; д — сложнолегированные конструкционные стали; е — высокохромистые стали (Х13)
В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают превращения трех типов (см. рис. 31).
Перлитное превращение протекает в верхнем районе температур, прилегающих к критической точке (или интервалу >4Х). Это превращение заключается в диффузионном распаде переохлажденного аустенита с образованием эвтектоида (феррит + карбид).
Продукты перлитного превращения обычно имеют пластинчатое строение. Чем больше степень Переохлаждения, тем тоньше получающаяся ферритно-цементитная структура, т. е. меньше межпластиночное расстояние (До)- Пластинчатые структуры эвтектоидного типа часто определяют как перлит, сорбит и троостит.
Термическая обработка стали
307
Мартенситное превращение (см. рис. 31 и 32). Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Мартенситное превращение происходит только после переохлаждения аустенита до температуры, отвечающей точке Мн, и протекает в интервале температур AfH — Мк. Превращение носит бездиффу-
Рис. 32. Основные виды термокинетических диаграмм превращения пере* охлажденного аустенита:
а — углеродистые стали; б — легированные конструкционные стали; в — легированные инструментальные стали; г — высокохромистые стали (типа Х13)
зионный характер. Содержание углерода в мартенсите в общем случае такое же, какое было в исходном аустените.
Положение мартенситных точек Мн и А4К определяется составом аустенита и не зависит от скорости охлаждения. Углерод и все легирующие элементы (за исключением Со) понижают точки А4Н и AfK. Мартенситное превращение обычно не идет до конца. Количество остаточного аустенита после закалки тем больше, чем ниже температура мартенситных точек, т. е. чем больше в аустените углерода и легирующих элементов. Если прерватыюхлаждение в области температур между Мн и Л4К|
308
Черные металлы и сплавы
то наблюдается явление стабилизации переохлажденного аустенита. При возобновлении охлаждения мартенситное превращение начинается лишь после дополнительного переохлаждения относительно температуры, при которой охлаждение было прервано. Количество образующегося в итоге мартенсита оказывается меньше, чем при непрерывном охлаждении. Явление стабилизации проявляется более сильно с увеличением выдержки в интервале температур Л4Н—Л4К и зависит от температуры, при которой эта выдержка производилась. Температура, ниже которой проявляется этот эффект стабилизации, обозначается Л4С.
Структура мартенсита в низко- и среднеуглеродистых сталях имеет форму реек (реечный мартенсит), вытянутых в одном направлении. Чаще образуется пакет из реек (массивный мартенсит). В высокоуглеродистых сталях мартенсит образует пластины, которые в плоскости шлифа имеют вид игл.
У мартенсита высокая твердость, но низкое сопротивление отрыву и пониженный предел прочности в условиях жестких схем нагружения, что связано с высокой хрупкостью.
Прочность стали с мартенситной структурой можно повысить предварительной деформацией аустенита — термомеханическим упрочнением или небольшой деформацией мартенсита.
Бейнитное (промежуточное) превращение протекает между температурными областями перлитного и мартенситного превращения (см. рис. 31 и 32). В результате промежуточного превращения образуется особая структура — бейнит.
Бейнит представляет собою смесь из a-твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом, и частиц карбидов.
Различают: а) верхний бейнит, образующийся при 500—350° С, имеет перистый вид, в котором частицы карбидов образуют изолированные узкие частицы; б) нижний бейнит, образуется при 350—250° С, имеет пластинчатое (игольчатое) строение. Карбидные частицы в нижнем бейните располагаются внутри пластинок (игл) а-фазы.
Как и мартенситное превращение, промежуточное превращение чаще не идет до конца. Нераспавшийся при изотермической выдержке аустенит при последующем охлаждении может в той или иной степени претерпевать мартенситное превращение или сохраняться (остаточный аустенит).
Промежуточное превращение находит большое применение в промышленности, так как основанная на его протекании термическая обработка (изотермическая закалка) на нижний бейнит обеспечивает высокие механические свойства и, что особенно важно, высокую конструктивную прочность.
Описанные ранее диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита показывают, какие превращения возможны в выбранной стали, при каких температурах они протекают и какова интенсивность их развития при данной температуре.
По этим диаграммам превращений можно: 1) устанавливать режимы охлаждения при изотермической закалке и отжиге, ступенчатой закалке и т. д.; 2) определять приближенно скорость охлаждения в различных температурных интервалах для получения требуемой структуры или предотвращения образования нежелательных структур; 3) качественно характеризовать прокаливаемоэть стали; 4) устанавливать общий харак
Термическая обработка стали
309
тер режимов охлаждения поковок (проката), предупреждающих образование флокенов, больших внутренних напряжений, трещин и т. д.
Закономерности распада переохлажденного аустенита в процессе непрерывного охлаждения можно представить графически в виде термокинетических диаграмм, которые позволяют не только качественно, но и количественно описывать превращения аустенита при охлаждении с любыми скоростями, а также характеризовать получаемые при этом структуры и их свойства. Особенно важны эти диаграммы для определения режимов охлаждения при закалке крупных изделий.
На рис. 32 приведены термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустенита.
Термокинетические диаграммы позволяют: 1) устанавливать точные режимы охлаждения при отжиге, нормализации и закалке; 2) количественно характеризовать прокаливаемость, судить о структуре и механических свойствах стали после охлаждения с различными скоростями, а следовательно, о структуре и механических свойствах по сечению изделия после термической обработки, когда превращение развивается при непрерывном понижении температуры. Для этого нужно совместить термокинетические диаграммы для данной стали с опытными кривыми охлаждения в различных сечениях тела при охлаждении в той или другой среде.
Режимы. Скорость охлаждения при термической обработке определяется требуемой конечной структурой, а следовательно, и требуемыми свойствами стали.
Перлитное и .промежуточное превращения в зависимости от химического состава стали и условий предварительной обработки протекают с различной скоростью в разных интервалах температур. Поэтому вид изотермических и термокинетических диаграмм превращения переохлажденного аустенита для разных групп сталей различен (см. рис. 31 и 32).
В углеродистых и некоторых сталях, легированных никелем, кремнием и медью, максимумы скоростей перлитного и промежуточного превращений наблюдаются при близких температурах. Поэтому на диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита виден только один минимум устойчивости переохлажденного аустенита, чаще при температуре 500—550° С. При температурах выше этого минимума устойчивости протекает диффузионное перлитное превращение, а при температурах ниже этого минимума — промежуточное (бейнитное) превращение. При непрерывном охлаждении на термокинетической диаграмме для этих сталей отмечается лишь диффузионное перлитное и бездиффузионное мартенситное превращения (см. рис. 33).
Получить бейнитную структуру при непрерывном охлаждении углеродистых и других указанных выше сталей практически не удается. При малых скоростях охлаждения переохлажденный аустенит этих сталей распадается на ферритно-цементитную структуру (перлит) различной степени дисперсности, а при больших скоростях охлаждения образуется мартенсит.
Легирование стали карбидообразующими элементами (Сг, Мп, Мо, W), а также кремнием приводит к полному или частичному разделению областей перлитного и промежуточного превращений (см. рис. 31 и 32).
После полного отжига доэвтектоидных Сталей следует медленное охлаждение (см. рис. 33, а, кривая /), во время которого происходит
310
Черные металлы и сплавы
распад аустенита при малых степенях переохлаждения, т. е. при повышенной температуре, с образованием дифференцированной структуры из перлита и феррита (см. рис. 30, б). Такая структура обеспечивает наименьшую твердость стали. По условиям охлаждения различают обычный и изотермический отжиг (рис. 33, в, кривая 5). Чем выше устойчивость переохлажденного аустенита, тем медленнее должно быть охлаждение при обычном отжиге для обеспечения распада аустенита в верхнем интервале.
Медленное охлаждение, особенно легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, следует проводить до 500—600° С. После распада аустенита в перлитной области дальнейшее охлаждение можно ускорять и выполнять даже на воздухе.
Если после отжига должен быть низкий уровень остаточных напряжений, например для отливок или поковок сложной конфигурации, то медленное охлаждение проводят почти до комнатной температуры.
Для предотвращения образования флокенов в крупных поковках из высоколегированных сталей (18Х2Н4ВА, 34ХНЗМФА) применяют сложные ступенчатые режимы охлаждения, например медленное охлаждение до 300—350° С, затем после выдержки нагрев до 600—650° С с длительной выдержкой (иногда до 100 ч) и медленное охлаждение до 100°С.
Скорость охлаждения при отжиге регулируют, охлаждая печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.
При отжиге доэвтектоидных углеродистых сталей для получения перлитно-ферритной структуры достаточна скорость охлаждения 50— 100° С/ч (в зависимости от размеров поковки) до температуры 600° С, а далее охлаждение ведут на воздухе.
При отжиге сталей 45Г2, 15Х, 20Х, ЗОХ, 35Х, 45Х, 15ХР, 15ХФ, 15ХМ, 20ХГ, 20ХМ, ЗОХМ, 40ХМ, 12ХНЗ, 20ХНЗ, 37XH3, 12Х2Н2, 20Х2Н2, 12Х2Н4, 38ХМЮА, 20ХНМ, 40ХНМ, 20Х2Н2М, ЗОХНЗМ и др. рекомендуется медленное охлаждение со скоростью 15—50° С/ч до температуры 600° С и далее на воздухе. Чем крупнее поковка, тем медленнее должно быть охлаждение при отжиге во избежание образования значительных внутренних напряжений. Не следует, однако, стремиться к излишне медленному охлаждению, так как это приводит к образованию крупных скоплений феррита и ухудшению свойств после последующей закалки.
При высоком содержании углерода в легированном аустените максимальная скорость его превращения обычно соответствует области перлитного превращения (см. рис. 31 и 32). Перлитному превращению может предшествовать выделение избыточных карбидов. Такая кинетика изотермического превращения переохлажденного аустенита характерна для многих инструментальных сталей, например, 9Х, 9ХФ, ХГ, ХВГ, Х12, Х12М, Р12, Р18, Р18Х5 и др. Эти стали сравнительно легко отжигаются как при обычном медленном охлаждении от аустенитного состояния, так и при изотермическом режиме. Скорость охлаждения при отжиге сталей типа X, ХГ, 9Х, ХВГ, Х12, Х12М, Р9, Р18 равна 30° С/ч до температуры 680—700° С и далее на воздухе. Для получения структуры зернистого перлита в этих сталях скорость охлаждения должна быть меньше. В этом случае охлаждение в области температур перлитного превращения должно обеспечить не только распад аустенита на ферритно-карбидную структуру, но и достаточную степень коагуляции
Термическая обработка стали
311
карбидных частиц. Коагуляция карбидов происходит при охлаждении до 620—650° С, и поэтому последующее охлаждение мало влияет на структуру. Однако во избежание появления больших остаточных напряжений медленное охлаждение проводят до 550—600° С.
Во многих случаях для получения зернистого перлита также применяют изотермический отжиг (см. табл. 146). Для предотвращения появления трещин при окончательной термической обработке сталей Р12, Р18, Х12, Х12М иногда рекомендуют изотермический отжиг с выдержкой при 720—780° С.
Ускорение охлаждения при нормализации приводит к распаду аустенита при больших степенях переохлаждения, что увеличивает дисперсность ферритно-карбидной структуры и повышает количество структуры эвтектоидного типа. Это, естественно, повышает прочность и твердость нормализованной стали по сравнению с отожженной.
Особенно сильно возрастает твердость легированных сталей при нормализации, когда во время охлаждения на воздухе возможно образование даже мартенсита. Поэтому для легированных сталей, когда требуется полная фазовая перекристаллизация, проводят нормализацию с последующим высоким отпуском *, что экономически эффективнее, чем отжиг. В некоторых низкоуглеродистых высоколегированных сталях, например 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 25Х2Н4М, 35ХН4М (см. рис. 31, д и 32, в) и некоторых других, устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения столь велика, что экспериментально не обнаруживается. В этих сталях происходят только промежуточное и мартенситное превращения. Поэтому отжиг сталей этого типа невозможен. Для исправления структуры применяют нормализацию (закалку на воздухе) с последующим высоким отпуском для снижения твердости при 660° С. Это примерно на 40—50° С ниже точки Ас±. Более высокая температура отпуска не гарантирует от случайного нагрева выше (особенно нужно учитывать, что трудно выдержать одинаковую температуру по всей большой садке металла). Кроме того, неоднородность стали по химическому составу в микрообъемах и между разными плавками приводит к тому, что при температуре нагрева, близкой к Aclt также возможно фазовое а -> ^-превращение с образованием аустенита.
Структура закаленной стали — мартенсит. Поэтому скорость охлаждения при закалке должна быть выше критической, т. е. больше минимальной скорости охлаждения, при которой подавляется диффузионное перлитное и промежуточное превращения и аустенит переохлаждается до мартенситной точки Л1н (см. рис. 33, а). Критическая скорость закалки, естественно, тем ниже, чем больше устойчивость переохлажденного аустенита.
Устойчивость аустенита зависит от его химического состава: все легирующие элементы, исключая кобальт, повышают устойчивость переохлажденного аустенита, особенно в области перлитного превращения.
Устойчивость переохлажденного аустенита тем выше, чем крупнее его зерно и чем однороднее его состав. Неравномерное распределе-ние концентрации углерода и легирующих элементов в аустените и наличие
* Для снижения твердости чаще применяют только высокий отпуск при температуре несколько ниже точки Acit
312
Черные металлы и сплавы
нерастворимых частиц (карбидов, нитридов и т. д.) снижает устойчивость аустенита и повышает критическую скорость закалки.
Чем ниже критическая скорость закалки, тем медленнее должно быть охлаждение изделий при закалке для получения структуры мартенсита.
6)
Ступенчатую закалку следует применять для уменьшения деформации инструмента (см. табл. 149 и рис. 33, б — кривая 4). После ступенчатой закалки сталь имеет структуру мартенсита или мартенсита с карбидами в заэвтектоидных сталях.
Некоторые конструкционные стали для улучшения свойств подвергают изотермической закалке (рис. 33, в — кривая 6) с выдержкой в нижней зоне температур промежуточного превращения (см. табл. 149). В результате изотермической закалки структура этих сталей состоит из нижнего бейнита и некоторого количества (10—20%) остаточного аустенита. Такая структура обеспечивает высокую прочность и сопротивление хрупкому разрушению, а также резко уменьшает чувствительность к надрезу. При изотермической выдержке в верхнем интер
Термическая обработка стали
313
вале промежуточного превращения сохраняется большое количество нераспавшегося аустенита, который при последующем охлаждении превращается в мартенсит. В результат^ после охлаждения сталь будет состоять из верхнего байнита, неотпущенного мартенсита и остаточного аустенита. Такой структуре соответствуют низкие механические свойства.
Прокаливаемость стали. Под прокаливаемостью стали понимают глубину закаленной зоны. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия равна критической или превышает ее, то у стали структура мартенсита по всему сечению и, значит, сквозная прокаливаемость. Если в сердцевине изделия критическая скорость не будет достигнута, то изделие прокалится лишь на некоторую глубину. В этом случае в сердцевине произойдет диффузионный распад аустенита с образованием структур троостита, сорбита или даже перлита, что приведет к снижению прочности.
Влияние диаметра заготовки на механические свойства стали 40 после закалки в воде и последующего отпуска при 500° С показано в табл. 158.
158. Характеристики механических свойств стали 40 в зависимости от диаметра заготовки после закалки от 850° С в воде и отпуска при 500е С
Диаметр заготовки, мм ав’ кгс/мм2 <о дн» кгс-м/см2
15 80 16 15
30 75 15 10
50 70 15 7
100 65 13 5
159. Зависимость твердости полумартенситной зоны от содержания углерода в стали
Содержание углерода, % Сталь
Углеродистая Легированная
0,08—0,17 А 25
0,18—0,22 25 30
0,23—0,27 30 35
0,28—0,32 35 40
0,33—0,42 40 45
0,43—0,52 45 50
0,53—0,62 50 55
Чем ниже критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость стали. Объективная характеристика прокаливаемости стали — критический диаметр, под которым понимают наибольшее сечение цилиндра из данной стали, которое в результате закалки получает так называемую полумартенситную структуру (троосто-мартенситную) в сердцевине. Появление этой структуры приводит к резкому изменению свойств (снижению твердости).
Существует несколько способов определения прокаливаемости: по виду излома, распределению твердости по сечению, а также методом торцовой закалки. Наиболее простым и надежным методом для конструкционных сталей является метод торцовой закалки (ГОСТ 5657—69).
Для испытания изготовляют цилиндрический образец (рис. 34, 6), который нагревают до заданной температуры, подвергают закалке с торца на специальной установке (рис. 34, а) и измеряют твердость образца по длине. Результаты испытания стали на прокаливаемость
314
Черные металлы и сплавы
либо выражают числом прокаливаемости 1С (где I — расстояние от охлажденного торца до точки с полумартенситной твердостью; с — значение этой твердости по табл. 159), либо изображают в виде графика (рис. 35, а).
Рис. 34. Установка (а) и образец (б) для определения прокаливаемости стали методом торцовой закалки:
/ — бачок; 2 — уравнительная трубка; 3 — сопло; 4 — установочная шайба;
5 — образец для торцовой закалки; 6 — рабочий кран; 7 — кран подвода воды; 8 — стол прибора; 9 — установочный винт; /0— кронштейн
Термическая обработка стали
315
Построив зависимость распределения твердости по длине образца и проведя горизонталь, соответствующую твердости полумартенситной зоны (см. табл. 159) для данной стали, по пересечению этой линии с кривой определяют протяженность закаленной зоны. Критический
Скорость охлаждения при 700°С°С/с 33610542 16,5 10 5,9 45 3,6 3,0
Расстояние от торир Расстояние от торца
а) 6)
Рис. 35. Про кали ваемость
сталей 40 (а) и 40ХНМА (б)
диаметр можно определить по кривым на рис. 36, если известно расстояние от торца до твердости полумартенситной зоны.
Прокаливаемость разных плавок стали одной и той же марки может колебаться в некоторых пределах в зависимости от действительного
содержания присутствующих элементов, от величины зерна и т. д. Поэтому для характеристики марки стали строят не кривую, а полосу прокаливаемости (см. рис. 34, б).
Полумартенситная структура во многих случаях не обеспечивает максимума механических свойств изделий. Поэтому нередко прокаливаемость определяют по глубине проникновения закаленного слоя до структуры, состоящей из 95% мартенсита и 5% троостита.
Критический диаметр для 95% мартенсита примерно на 25% меньше критического диа-
Рис. 36. График для определения критического диаметра по расстоянию от
метра, определенного ПО полу- водоохлаждаемого закаливаемого торца мартенситной зоне. Критиче- (гост 5657—69)
с кий диаметр для 95% мартен-
сита при закалке в воде для сталей 40 и 45 не превышает 10—12 мм. Критический диаметр для 95% мартенсита при нижнем пределе легирующих элементов после закалки в масле для сталей 40Х, 45Х, ЗОХМ, ЗЗХГС составляет 15—25 мм, для 40ХНМ — 40 мм и высоко-
легированной стали 35ХНЗМФ — более 100 мм.
Высоколегированные стали с малой критической скоростью охлаждения, например 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, закаливают на воздухе, что
316
Черные металлы и сплавы
уменьшает деформацию обрабатываемых изделий. Прокаливаемость таких высоколегированных сталей весьма велика (критический диаметр для 95% мартенсита — более 100 мм).
Далеко не всегда надо стремиться к сквозной прокаливаемости, так как с повышением концентрации легирующих элементов, увеличивающих устойчивость переохлажденного аустенита, как правило (исключение составляют никель и молибден), растет склонность к хрупкому разрушению. Следовательно, для изготовления изделий нужно выбирать сталь, обеспечивающую определенную прокаливаемость.
Охлаждающие среды для закалки. Охлаждение при закалке должно -обеспечивать в общем случае получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.
Наиболее желательна умеренная скорость охлаждения при высоких температурах (выше критических), высокая (выше критической закалки) в интервале температур А±—Мн для подавления процессов диффузионного распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращения и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения Мн—Мк. Высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур резко увеличивает уровень остаточных напряжений. Чем выше скорость охлаждения в мартенситном интервале, тем выше вероятность образования закалочных трещин. В то же время слишком замедленное охлаждение в интервале температур Л1н—Мк может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества остаточного аустенита вследствие явления стабилизации, что снижает твердость стали.
Обычно для закалки используют кипящие жидкости — воду, водные растворы солей и щелочей, масло. При закалке в этих средах различают три периода: 1) период пленочного кипения, когда скорость охлаждения сравнительно невелика (рис. 37); 2) период пузырькового кипения, наступающий при полном разрушении паровой пленки, которое наблюдается при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты; 3) период конвективного теплообмена, который отвечает температурам
160. Относительная охлаждающая способность закалочных сред
Охлаждающая среда, ее температура, °C Температурный интервал пузырькового кипения, °C Относительная интенсивность охлаждения в середине интервала пузырькового кипения
Вода, 20 . . 400—100 1,0
Вода, 40 . . 350—100 0,7
Вода, 80 250—100 0,2
10%-ный раствор NaCl в воде, 20 « . . 650—100 3,0
10%-ный раствор NaOH в воде, 20 . . . 650—100 2,0
50%-ный раствор NaOH в воде, 20 « . . 650—100 2.0
Масло минеральное, 20—200 500—250 0,3
Термическая обработка стали
317
ниже температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.
В табл. 160 приведены примерный температурный интервал пузырькового кипения и относительная скорость охлаждения в середине этого интервала для различных охлаждающих сред.
При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей,
Скорость охлаждения
Рис. 37. Скорость охлаждения в различных кипящих жидкостях при iразной температуре:
I — вода; 2 — 10%-ный раствор NaCI; 3 — 50%-ный водный раствор NaOH; 4 — масло
У воды есть существенные недостатки:
1) высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения, что нередко приводит к образованию закалочных дефектов;
2) резкое ухудшение закалочной способности с повышением температуры (см. табл. 160).
Быстрее и равномернее охлаждают сталь 8—12%-ные водные растворы NaCI и NaOH при 20° С. Для стали, с низкой критической скоростью закалки рекомендуются растворы NaOH повышенной концентрации (30—50%).
Увеличение закаливаемости и прокаливаемости достигается путем применения струйного или душевого охлаждения, широко используемого при поверхностной закалке.
Применение душевого или струйного охлаждения водой при закалке конструкционных углеродистых и низколегированных сталей обеспечивает их значительное упрочнение, не достигаемое при других способах охлаждения. Объясняется это предотвращением отпуска мартенсита в процессе закалки и возникновением на поверхности сжимающих напряжений.
Усовершенствованный метод охлаждения — с помощью смесей воды и воздуха, подаваемых через форсунки. Изменяя соотношение между
318
Черные металлы и сплавы
количеством воды и воздуха, а также давление смеси, можно менять скорость охлаждения от скорости, соответствующей охлаждению на воздухе, до значений, значительно превышающих скорость охлаждения в воде. Водовоздушные среды применяют для крупных поковок, рельсов, труб и т. д.
Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло (чаще нефтяное).
Одно из достоинств масла как закалочной среды — небольшая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов и приводит к постоянству закаливающей способности в широком интервале температур среды (20—150° С). Недостаток масла — повышенная воспламеняемость (температура вспышки 165—300° С), высокая стоимость, недостаточная стабильность и низкая охлаждающая способность в области температур перлитного превращения (см. рис. 9). Температура кипения масла на 150—300° С выше, чем у воды. В процессе кипения масла происходит процесс его разложения (крекинг-процесс) и на изделиях образуется газо-паровая пленка. Режим пленочного кипения в масле распространяется на сравнительно узкий интервал температур (750— 500° С), и максимум скорости охлаждения относится к температурам 450—350° С (см. рис. 9). Конвективный теплообмен происходит при более высоких температурах (от 350—380° С до комнатной температуры).
Для закалки чаще применяют масла нормальной вязкости: индустриальные 12 и 20, масла индустриальные селективной очистки (ГОСТ 8675—62) и индустриальное выщелоченное 20В (веретенное ЗВ). Последнее масло дешево и по скорости охлаждения в области температур перлитного и промежуточного превращения аустенита превосходит масла 12 и 20. Однако благодаря лишь частичной очистке масло 20 В не рекомендуется для применения в маслоохладительных системах большой емкости вследствие образования трудноудаляемых осадков.
Часто применяют смесь разных количеств индустриальных масел 12 и 20.
Для сохранения светлой поверхности изделий к минеральным маслам добавляют некоторые органические вещества или различные фракции синтетических жирных кислот (типа СПН2ПО2). Наилучшие результаты получены при добавлении к минеральному маслу типа 12 около 20% высокомолекулярной кислоты («кубковый осадок» п^ 20). Эту смесь с успехом применяют для закалки изделий, нагреваемых в атмосфере эндогаза. Охлаждающая способность масла, содержащего «кубковый осадок», выше, чем у масла без присадки.
Высокая охлаждающая способность у смеси масел трансформаторного и авиационного МС-20 (3 : 1).
Закалочную способность масла повышают введением в него различных добавок (ацелсарКозина и сульфоновых кислот, эфиров карбоновых кислот и др.). Температуру масла при закалке следует поддерживать в пределах 60—90° С, что при правильной эксплуатации маслоохладительных систем не создает трудностей. При повышении температуры выше указанной вязкость масла снижается, однако это не вызывает существенного увеличения скорости охлаждения, но повышает пожарную опасность и ускоряет окисление и термическое разложение масла.
Термическая обработка стали
319
При более низкой температуре повышается вязкость масла и снижается равномерность охлаждения.
В последние годы для закалки применяются и специальные закалочные масла с хорошими антиокислительными свойствами и сопротивлением загущению (табл. 161). Для обеспечения постоянства скорости охлаждения масла используют при определенной рабочей температуре.
161. Нефтяные масла для закалки 1
Масло -Вязкость, 50° С Температура вспышки, °C Кислотность КОН, не более Зольность, %, не более Рабочая температура, °C
МЗМ-16 МЗМ-26 МЗМ-120 1 Масло и лат кальция). МОЮЩИХ СВОЙСТ 2—4 3—4,5 13—19,5 3 ГОТО вл Я ЮТ ] добавляемь в масел. 140 170 230 из нефти и п 1х для улу 0,5 0,5 1,0 рисадок (mof 'чтения ант 0,4 0,6 18 юл и алкил иокислител 30—40 80—120 160 — 200 салици-Ы1ЫХ и
Емкость закалочного бака должна быть такой, чтобы скорость охлаждения была неизменной. При закалке с 850° С в баке должно быть 12,5 л масла на 1 кг охлаждаемой стали, а при закалке с 950° С — 17,5 л масла на 1 кг стали.
Иногда для закалки применяют кипящий (псевдоожиженный) слой. По охлаждающей способности кипящий слой занимает промежуточное положение между воздухом и маслом.
Для ступенчатой и изотермической закалки чаще применяют расплавленные соли (смеси KNO3 и NaNO2, NaNO3 и NaNO2, NaNO3 и KNO3, а также щелочи NaOH и КОН), реже горячее масло высокой вязкости с температурой вспышки около 300° С (цилиндровое 24, 38 или 52).
Селитры немного окисляют поверхность, щелочи дают чистую поверхность.
Скорость охлаждения расплавленных солей возрастает при перемешивании и с понижением их температуры. Если принять скорость охлаждения воды при 20° С за единицу, то относительная скорость охлаждения в интервале температур 650—550° С в расплавленных солях при перемешивании при 160° С — 0,39, при 200° С — 0,36и при 400° С— 0,21.
Добавление к соляным расплавам небольшого количества воды (около 0,5—0,7%) вызывает кипение и увеличивает их охлаждающую способность в 4—5 раз, что повышает прокаливаемость и позволяет производить ступенчатую и изотермическую закалку изделий большого сечения. При добавлении воды перемешивание расплава не ускоряет охлаждения, так как при этом усиливается испарение водяных паров.
При ступенчатой закалке инструмента из быстрорежущей стали в качестве охлаждающей среды обычно используют расплавы KNO3
320
Черные металлы и сплавы
или NaOH или смесь 70% KNO3 + 30% NaOH, которые не разъедают поверхность инструмента.
Обычно температура ванны при закалке инструмента из легированной и углеродистой стали 160—200° С. В этом случае применяют расплав, содержащий 50% KNO3 + 50% NaNO2 или 80% КОН + 20% NaOH, с добавкой воды.
Для ступенчатой (горячей) закалки крупного инструмента из углеродистой стали рекомендуются низкоплавкие смеси солей 53% KNO3 + + 40% NaNO3 + 7% NaNO2 с добавкой 2—4% воды. Рабочая температура такого расплава НО—125° С.
Для изотермической закалки конструкционных сталей обычно применяют расплав щелочей 20% NaOH и 80% КОН, часто с добавкой воды.
Для снижения коробления деталей сложной формы при закалке применяют охлаждение в штампах или в специальных приспособлениях.
Отпуск
Рис. 38. Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной стали 45
Отпуск (см. табл. 147) — одна из важнейших технологических операций термической обработки стали.
Мартенсит и остаточный аустенит — метастабильные фазы — и при длительной выдержке даже при комнатной температуре претерпевают распад. Повышение температуры резко ускоряет распад этих фаз и приводит к образованию фер-ритно-карбидной структуры. Превращения, протекающие при отпуске, а также снятие остаточных напряжений существенно изменяют свойства стали (рис. 38). В зависимости от требуемых свойств назначают следующие виды отпуска.
Низкий отпуск (см. табл. 146). В интервале температур до 350°С происходит распад мартенсита с выделением из него карбидов. В результате распада мартенсита образуется отпущенный мартенсит, представляющий собой обедненный углеродом мартенсит (а-раствор) и частицы карбидов
цементитного типа. При отпуске многих легированных конструкционных, а также высокоуглеродистых сталей, имеющих повышенное количество остаточного аустенита, при температуре 200—300° С происходит его распад. В результате этого превращения остаточного аустенита в бейнит образуются те же фазы, что и при отпуске мартенсита при той же температуре, но структурное состояние этих фаз не такое, как у фаз, получаемых при превращении мартенсита.
Распад мартенсита при низком отпуске (150—250° С) углеродистых и легированных сталей уменьшает их склонность к хрупкому разрушению.
Термическая обработка стали
321
Низкотемпературный отпуск проводят в электропечах с принудительной циркуляцией воздуха, в масляных ваннах и в расплавленных солях — 50% KNO3 и 50% NaNO3. Жидкие среды обеспечивают быстрый и равномерный нагрев и более точное регулирование температуры.
Средний отпуск (300—500° С). После такого отпуска структура стали состоит из тонкой смеси феррита и цементита, имеющих форму, приближающуюся к сфероидальной. Такую структуру называют тро-остит отпуска.
Средний отпуск (350—400° С) средне- и высокоуглеродистых сталей (0,5—1,0%) обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и большую релаксационную стойкость. Поэтому этот вид отпуска используют после закалки пружин. Температуру отпуска пружин из углеродистой стали в зависимости от требуемого предела прочности, предела упругости и вязкости обычно принимают равной 350—400° С.
Легированные пружинные стали подвергают отпуску при более высоких температурах. Температуру отпуска кремнистых сталей (55С2, 60С2) устанавливают в пределах 400—450° С. Сложнолегированные кремнистые пружинные стали отпускают при 400—450° С, сталь 50ХГ — при 440° С и сталь 50ХФА — при 420° С.
Более высокие температуры отпуска наряду с повышенными упругими свойствами обеспечивают личшие пластичность и вязкость и меньшую склонность к хрупкому разрушению.
Длительность отпуска устанавливают исходя из требований к механическим и упругим свойствам.
Охлаждение после отпуска при 400—450° С иногда проводят в воде, что способствует образованию на поверхности полезных сжимающих остаточных напряжений. Это увеличивает ограниченную долговечность и предел выносливости пружин.
При проведении отпуска при температуре 300—400° С (в зависимости от состава стали) нужно учитывать возможность возникновения отпускной хрупкости. Отличительной особенностью этого вида хрупкости является ее необратимый характер; повторный отпуск при той же температуре не повышает вязкости. Хрупкое состояние обусловлено неоднородным распадом мартенсита и остаточного аустенита по границам и в объеме зерен. Следствие этого — неоднородное развитие пластической деформации при нагружении и возникновение областей, находящихся в объемно-напряженном состоянии, что ведет к хрупкости.
Для повышения вязкости средний отпуск на троостит (HRC 54—52) необходим и для теплостойких штамповых сталей типа ЗХ2В8Ф, 4Х5В4ФСМ, 4Х5ВАФС, 4Х5МС, 4Х8В2 и др. Этот отпуск выполняют сразу после закалки (для предупреждения трещин). Нередко для крупных штампов применяют двукратный отпуск, который улучшает механические свойства.
Высокий отпуск (500—680° С). Повышение температуры отпуска выше 500° С в углеродистых и многих легированных сталях не ведет к изменению фазового состава по сравнению с составом после среднего отпуска. Однако с повышением температуры изменяется структура; происходит процесс коагуляции и сфероидизации карбидов и изменение субструктуры a-фазы. После высокого отпуска возникает структура, называемая сорбитом отпуска.
Легирующие элементы Мо, W, Сг, V замедляют процесс коагуляции. Поэтому после отпуска при одинаковой температуре сталь, леги
11
322
Черные металлы и сплавы
рованная этими элементами, сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц и соответственно ббльшую прочность.
Как следствие процесса коагуляции карбидной фазы твердость, сопротивление отрыву, предел прочности, текучести и упругости понижаются, а пластичность и вязкость повышаются (см. рис. 38).
Закалка с высоким отпуском — термическое улучшение, применяемое главным образом для конструкционных сталей, позволяет получить высокие механические свойства — сочетание хорошей прочности с пластичностью. Улучшение значительно повышает конструкционную прочность сталих, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу для пластической деформации при движении трещины (работу развития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.
Отпуск при 550—600° С в течение 1—2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Дальнейшее увеличение длительности нагрева практически не ведет к уменьшению внутренних напряжений. Чаще длительность высокого отпуска—1,0— 6 ч в зависимости от габаритных размеров изделия. Иногда длительность высокого отпуска увеличивают до нескольких десятков часов, чтобы обеспечить выделение водорода и тем снизить опасность возникновения флокенов.
Улучшению подвергают детали из конструкционной углеродистой и легированной стали, содержащей 0,3—0,45% С (ЗОХ, 40Х, 40ХН, 40ХНМ, 40ХГ, ЗОХГН, 38ХНВА, 30ХН2ВФА и др.), которые испытывают в работе значительные ударные и вибрационные нагрузки и поэтому должны обладать высокой конструктивной прочностью.
Следует иметь в виду, что во многих сталях, легированных, например, марганцем, кремнием или хромом (и особенно при одновременном легировании стали хромом и никелем, хромом и марганцем, хромом и кремнием и т. п.), после отпуска в интервале 500—600° С проявляется обратимая отпускная хрупкость.
Для устранения обратимой отпускной хрупкости многие детали из легированных сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали — в воде. Однако даже охлаждение в воде для многих крупногабаритных деталей из глубоко прокаливающихся хромоникелевых сталей не приводит к достаточно быстрому охлаждению внутренних частей, в которых развивается отпускная хрупкость. В этом случае стали добавочно легируют молибденом или вольфрамом (40ХНМ, 18Х2Н4ВА и др.), что значительно уменьшает склонность к обратимой отпускной хрупкости. Детали из этих сталей после высокого отпуска можно охлаждать на воздухе, а наиболее крупные — в масле.
Следует учитывать, что отпуск может вызвать новые напряжения, если нагрев и особенно охлаждение были быстрыми. Поэтому режимы нагрева и охлаждения при отпуске регламентируют.
1 Под конструктивной прочностью понимают ту прочность, которая проявляется в стали в условиях ее реального применения (в виде детали, кон* струкции).
Химико-термическая обработка стали
323
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Химико-термической обработкой называется поверхностное насыщение стали тем или иным элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем нагрева изделия до заданной темпе-, ратуры в твердой, газовой или жидкой среде, легко выделяющей диффундирующий элемент, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения. В отличие от термической обработки химико-термическая меняет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах изменять сврйства стали.
Цементация (науглероживание) 1
Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде — карбюризаторе (табл. 162).
После цементации следует термическая обработка — закалка и низкий отпуск.
Назначение цементации и последующей термической обработки — придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.
Цементации подвергают низкоуглеродистые стали (15, 20, 15Х, 15ХФ, 18ХГТ, 25ХГТ, 18ХНМА, ЗОХГМ, 20ХНМ, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и др.), у которых после цементации и закалки достигается высокая твердость на поверхности и сохраняется вязкая сердцевина.
ЧЬментации подвергают детали после механической обработки, включая в некоторых случаях и шлифование. Припуск на обработку для нешлифованных деталей принимается 0,2 мм и более, а для шлифованных 0,05—0,15 мм.
Цементацию, как правило, проводят при температурах выше точки Ас3 (930—950° С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах (рис. 39).
При температуре цементации (выше точки Ас3) диффузионный слой состоит из аустенита, а после медленного охлаждения — из продуктов его распада (феррита и цементита). Концентрация углерода при этом чаще не достигает предела насыщения при данной температуре.
У цементованного слоя концентрация углерода по глубине переменная, убывающая от поверхности к сердцевине детали (рис. 39, б). Поэтому после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 39, в): заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по бывшему зерну аустенита (заэвтек-тоидная зона в цементованном слое чаще отсутствует); эвтектоидную, состоящую из одного пластинчатого перлита; доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в доэвтектоидной зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.
1 В скобках дано наименование, рекомендуемое Институтом Совета экономической взаимопомощи по стандартизации.
.*
162. Цементация стали
Карбюризатор (насыщающая среда), его состав Температура, °C Общая продолжительность процесса, ч Глубина слоя, мм Примечание
Цеме 1. Древесный уголь (березовый) в смеси с 20—25% ВаСО, и 3,5—5% СаСО8 (ГОСТ 2704—66) 2. Каменноугольный полукокс в смеси с 10—15% ВаСО. и 3,5% СаСО, (ГОСТ 5535—50). Зернистость 5—10 мм, влажность не более 5—6%. Рабочая смесь состоит из 25—30% свежего (1 или 2) и 70—75% отработанного карбюризатора. Содержание ВаСОа в рабочей смеси—5—7% ** нтация в 930—950 пвердом карбю 4-15 (см. табл. 3) риэаторе 0,5—t,5 Ящики загружают в печь, нагретую до 600—700* С либо имеющую рабочую температуру. Охлаждают ящики на воздухе
Эндотермическая атмосфера (около 20% СО, 40% Hi, 40% Nt) 4- 5—8% природного газа СН4 •* Эндотермическая атмосфера + Зе 5% природного газа (до 98% СН4) Экзо-эндогаз (20% СО, 20% Ht, 60% N2 -f-+ 0,5-5% СН4) •« Газы, получаемые из керосина, синтина, различных спиртов, карбофлюида, карбо-дрила, смеси этанола и металлацетата, ацетона и пропана и т. д. непосредственно в печи для цементации Газовс 930—950 930—950 930—950 930—950 1я цементация 6—10 6—10 6—10 4—10 0,7—1,5 0,7—1,5 0,7—1,5 0,8—1,6 Процесс проводят в методических безмуфельных шахтных и камерных печах. В печи поддерживают постоянное давление (25—30 мм вод. ст.). Охлаждение — в закалочной среде (при непосредственной закалке) или колодцах Процесс проводят в шахтных или камерных печах. Загружают изделия в печь при 930 — 950* С. Перед началом цементации из муфеля печи должен быть вытеснен воздух продувкой цементующим газом во избежание окисления и обезуглероживания деталей. Охлаждение производят в колодцах или на воздухе *4
Черные металлы и сплавы
Продолжение табл. 162
Карбюризатор (насыщающая среда), его состав Температура, °C Общая продолжительность процесса, ч Глубина слоя, мм Примечание
Цементация в жидком карбюризаторе
78—85% NaBCO8 (или К.СО.) + 10-15% NaCI + 6-8% 870—900 0,5 0,15-0,2 Для мелких деталей и нормалей. Недостаток — неравномерная глубина слоя.
Карбид кремния добавляют после расплавления солей. Регенерация ванны производится через 3,0 ч добавкой 0,5—1,0% S1C от массы солей и Na2CO3 до требуемого уровня ванны
• * Существует много карбюризаторов (см. табл. 165), однако чаще применяют готовые карбюризаторы, приве1-денные в этой таблице. Карбюризатор не должен содержать вредных примесей (сера, зола), должен обладать достаточной прочностью, чтобы не дробиться и образовывать пыль, сохранять активность при повторном применении и давать минимальную усадку при цементации. При повышении температуры цементации нужно снижать содержание солей до 2—3%. * ’ Состав реальной эндотермической атмосферы, полученной на основе городского газа или пропана, изменяется в широких пределах: 17,5—25% СО, 36,5—44% Н2, до 2,0% СН4, 0,15—1,5% COS, 0,1 —2,3% HtO (водяной пар) и остальное до 100% N. При использовании богатых углеводородами газов для уменьшения сажевыделения в печь добавляют 1,5 — 2,0% NH3. ♦ 3 Чем меньше глубина слоя, тем выше содержание СН4. Вследствие уменьшения содержания водорода в печной атмосфере прочность цементованных деталей возрастает. При использовании шахтных печей неизбежен контакт нагретой поверхности цементованных изделий с воздухом при подстуживании их на воздухе или переносе в закалочный бак, что вызывает обезуглероживание и резкое снижение предела выносливости.
Химико-термическая обработка стали
326
Черные металлы и сплавы
За техническую глубину цементованного слоя чаще принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтек-тоидной) зон или реже глубину до первых участков феррита (см. рис. 39, в) *.
Для оценки глубины слоя за рубежом принята так называемая эффективная глубина слоя, оцениваемая по глубине распространения диффузионной зоны с твердостью до HV 500 (HRC 50). Эффективная
%С
Техническая бин а цементированного слоя
Рис. 39. Диаграмма состояния Fe—С (а), распределение углерода по глубине (б) и микроструктура цементированного слоя (в)
глубина зависит, с одной стороны, от количества углерода в мартенсите, а с другой стороны, от результатов закалки. Для деталей, испытывающих высокие контактные нагрузки, эффективную глубину можно определять до HV 600 или HV 700.
Глубина цементованного слоя для деталей, изготовляемых из стали, содержащей не более 0,17% С, составляет 15% от наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения. При содержании в стали более 0,17% углерода глубина слоя снижается до 5—9%, а для изделий, работающих на износ и не испытывающих больших удельных
♦ Глубину слоя измеряют на отожженных образцах. Иногда за техническую глубину принимают полную глубину слоя.
Химико-термическая обработка стали
327
нагрузок, — до 3—4% от наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения. Чаще толщина слоя 0,5—1,6 мм.
Концентрация углерода в поверхностном слое в зависимости от назначения детали составляет 0,7—1,25%.
В случае цементации сталей, легированных карбидообразующими элементами, при температуре диффузии может образоваться двухфазный слой — аустенит и карбиды, имеющие глобулярную форму. В этом случае средняя концентрация углерода на поверхности может превышать растворимость углерода в аустените при данной температуре. Концентрация углерода в сталях, содержащих Сг, Мп, W, Мо или V, может достигать 1,8—2,0%.
Влияние легирующих элементов в конструкционных сталях на глубину слоя невелико.
Технология цементации
Перед цементацией детали очищают от окалины, жира и т. д. Нередко цементации подвергают только часть детали. В индивидуальном и мелкосерийном производстве на местах, не подлежащих цементации, оставляют припуск, величина которого в 1,5—2 раза превышает глубину слоя. В массовом и крупносерийном производстве места, не подлежащие цементации, защищают электролитически омеднением (толщина слоя меди 40—60 мкм).
Нередко применяют противоцементационные обмазки (табл. 163), асбестовые или металлические чехлы.
163. Составы некоторых обмазок, применяемых для защиты от цементации 1
Состав Содержание, % Примечание
. Тальк Белая глина Вода 60 25 25 Разводят на жидком стекле. При высокой температуре образуется стекловидная пленка, препятствующая проникновению углерода. Применяют при цементации твердым карбюризатором
Глина шамотная Асбестовая мелочь 90 10 Смесь разводят на воде. Применяют для предохранения отверстий при цементации твердым карбюризатором
Маршал ит Бура Тальк 85—90 1,5—2,0 10—15 Разводят на жидком стекле. Применяют при газовой цементации
Песок Глина Бура Нитрид натрия 1 Обмазки нанос поверхность детали, г 4>ах при комнатной ' 44 40 13 3 :ят в ЖИДК юсле чего i гемпературе Разводят на жидком стекле и наносят в два слоя. Применяют при газовой цементации ом или пастообразном состоянии на лросушивают ее в специальных шка-J. Толщина каждого слоя 2 — 3 мм.
328
Черные металлы и сплавы
В табл. 162 приведены различные методы цементации.
Цементация в твердом карбюризаторе. Для этого обрабатываемые изделия упаковывают в ящики.
В ящик засыпают слой карбюризатора толщиной 30—40 мм. На него укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояние 10— 15 мм между деталями и до боковых стенок ящика. Между рядами деталей по высоте ящика толщина карбюризатора также должна быть 10—15 мм.
Последний (верхний) ряд засыпают слоем карбюризатора 35—40 мм, чтобы компенсировать его усадку. Зазоры между крышкой и стенками ящика замазывают огнеупорной глиной и просышивают.
Нередко ящик загружают в печь вверх дном.
Недостатки цементации твердым карбюризатором: 1) непроизводительная затрата энергии на прогрев карбюризатора и ящиков; 2) большая длительность процесса (табл. 164); 3) необходимость больших производственных площадей; 4) трудность регулирования процесса; 5) невозможность непосредственной закалки после цементации и т. д.
164. Ориентировочная продолжительность цементации (ч) в твердом карбюризаторе при 910—930° С *
Минимальный размер ящика, мм Глубина слоя, мм **
0,5-0,7 0,7-0,9 0,9-1,2 1,2-1,5
100 150 200 250 4—5 4,5-5,5 5,5—6,5 6,5 *-7,5 5-6 5,5—6,5 6,5—7,5 7,5-8,5 6—7,5 6,5—8,5 7,5—9,5 8,5—10,5 7,5—9 9-11 10—12 11 — 14
* Продолжительность нагрева может меняться в зависимости от состава карбюризатора, типа печи, формы ящиков, массы деталей и т. д. * *. Ориентировочно время нагрева до 930—950* С можно принять равным 6—8 мин на каждый сантиметр наименьшего размера ящика.
Однако универсальность и простота цементации твердым карбюратором обусловливают широкое применение ее, особенно на заводах мелкосерийного производства. Для цементации используют камерные, реже шахтные печи, (для длинных деталей). На заводах массового производства цементацию осуществляют в толкательных непрерывно действующих печах с комплексной механизацией всех стадий процесса. Составы твердых карбюризаторов приведены в табл. 165.
Газовую цементацию применяют на заводах массового и крупносерийного производства (см. табл. 162). Опыт показывает экономическую эффективность использования газовой цементации и в мелкосерийном производстве. При газовой цементации изделие нагревают в газовой атмосфере, содержащей углеводороды (чаще СН4, СО, Н2, СО2, Н2О, N2) (см. табл. 162). Науглероживание стали происходит в основном из-за реакции распада окиси углерода и метана при температуре цементации- Применение газовой цементации позволяет сократить
Химико-термическая обработка стали
329
165. Составы твердых карбюризаторов
Состав Содержание, % Примечание
ВаСО3 Na2CO8 СаСО3 Мазут Древесный уголь 12—15 1,0-1,5 3,0-5,0 4,5-5,0 Остальное Обеспечивает стабильные результаты и может использоваться при массовом выпуске деталей
Na2CO8(BaCO8) Са СО8 Древесный уголь 10 3,0 Остальное При цементации ответственных деталей лучше применять ВаСО8
Na2CO8 Торфяной КОКО 6-10 Остальное Недорог, но требует хорошей герметизации цементационных ящиков во избежание усадки и оголения деталей
Ацетат бария Ва(СН8СОО)2 Полукокс Древесный уголь 10 75—80 10-15 Обладает высокой активностью. Возможно пересыщение цементованного слоя углеродом
длительность процесса для получения заданной глубины слоя, механизировать и автоматизировать процесс, упростить последующую термическую обработку и сократить потребные площади цеха.
Большое достоинство газовой цементации — возможность автоматически регулировать состав цементующей газовой среды для обеспечения заданной концентрации углерода на поверхности цементированного слоя.
На заводах массового производства газовую цементацию чаще проводят в эндотермической атмосфере (см. табл. 163) в безмуфельных методических или шахтных (муфельных и безмуфельных) печах.
Углеродный потенциал атмосферы регулируют по содержанию СОа или Н2О в атмосфере. Эндотермическая атмосфера в зависимости от точки росы или от содержания СО2 может науглеродить и обезуглеродить поверхность стали или находиться с ней в состоянии равновесия, без изменения состава поверхностного слоя. На рис. 40 приведены кривые равновесия между эндотермической атмосферой и содержанием углерода в углеродистой и легированной стали (на рис. 40, а, б потенциал атмосферы определяли по точке росы, а на рис. 40, в — по содержанию СО2).
Для ускорения процесса цементации в 1,5—2 раза используют комбинированные атмосферы. Сначала цементацию ведут в атмосфере с высоким углеродным потенциалом (1,2—1,5%), а в конце процесса — в атмосфере с меньшим потенциалом (до 0,7—0,9%). В методических печах регулирование углеродного потенциала атмосферы осуществляется по зонам.
При проведении цементации этим методом следует иметь в виду, что содержание углерода на поверхности слоя снижается только из-за углерода, растворенного в аустените.
330
Черные металлы и сплавы
Снижение в аустените концентрации углерода и легирующих элементов (вследствие образования карбидов) приводит к уменьшению закаливаемости и прокаливаемости цементованного слоя и механических свойств стали (рис. 41). Этого можно избежать, если цементацию производить с постоянным потенциалом углерода 0,8—1,0%, но время насыщения при этом значительно возрастет. В процессе газовой цементации в эндотермической атмосфере легированных сталей возможно
Рис. 40. Кривые равновесия между эндотермической атмосферой и содержанием углерода в углеродистой стали (а, в) и легированной (б) стали: а, б— по-?
тснциал
внутреннее окисление таких элементов, как Сг, Мп и Ti, отличающихся большим сродством к кислороду по сравнению с железом. Легирующие элементы образуют окислы типа п FeO«Me2O3. Окисление легирующих элементов в поверхностной части слоя (до 0,03 мм) также понижает устойчивость аустенита, и при последующей закалке в цементованном слое образуется трооститная сетка, понижающая его твердость и предел выносливости стали. Добавка к цементующей атмосфере (в конце процесса) аммиака уменьшает вредное влияние «внутреннего окисления».
Растворяясь в аустените, азот повышает его устойчивость, частично восполняя потери хрома и марганца. Однако следует иметь в виду, что при высоком содержании в атмосфере аммиака в диффузионном слое
Химико-термическая обработка стали
331
может образоваться так называемая «темная составляющая» (видимо, поры), снижающая механические свойства стали. Для устранения «внутреннего окисления» рекомендуется подвергать цементации стали, легированные молибденом.
Рис. 41. Влияние технологии цементации на механические свойства стали 25ХГТ:
/ — цементация при постоянном потенциале углерода; 2 — цементация сначала производилась в атмосфере с высоким потенциалом по углероду (1,4%), а затем потенциал снижался до 0,8 С; 3 — оптимальная концентрация углерода получена в процессе подстуживания при закалке
На многих заводах для получения цементирующего газа применяют жидкие углеводороды, вводимые в рабочее пространство печи (см. табл. 162).
Высокая термическая устойчивость и хорошая испаряемость жидких углеводородов позволяют в одном рабочем пространстве получить газ и провести цементацию.
332
Черные металлы и сплавы
Жидкие карбюризаторы должны обеспечить: 1) минимальное саже-и коксообразование; 2) образование большого количества газа из единицы массы (объема) в процессе его распада; 3) минимальное содержание сернистых соединений, вызывающих разъедание деталей и арматуры печи. Наименьшей склонностью к саже- и коксообразованию и наибольшим газообразованием отличаются карбюризаторы, состоящие из парафиновых углеводородов (CnH2rt+2). Наличие в карбюризаторе нафтеновых (СпН2п) и ароматических* (СПНП) углеводородов приводит к образованию большого количества сажи (кокса), что резко замедляет науглероживание, требует очистки печи и деталей и затрудняет закалку в штампах. Лучшие жидкие карбюризаторы — спирты (например, бутиловый спирт), спирты в смеси с водой, синтин, карбофлюид и другие смеси органических соединений, например, этанол (С2Н5ОН) и металлацетат (СН3СООСН3), ацетон (СН3СОСН3) и пропан (С3Н8) и др.
Расход карбюризатора устанавливают в зависимости от объема рабочего пространства печи исходя из того, что площадь поверхности цементуемых деталей должна быть пропорциональна массе садки. В табл. 166 даны средние значения расхода карбюризатора, которые следует уточнять в зависимости от типа карбюризатора, температуры процесса и других факторов.
166. Расход карбюризатора (керосин, синтин и др.) при цементации в шахтных печах
Печь Объем рабочего пространства, м* Расход карбюризатора 11 капли/мин
при нагреве при выдержке
Ц25 0,03 20—30 40—60
Ц35 0,04 25—35 60—70
Ц60 0,08 30—60 60—90
Ц90 0,25 60—70 120—150
Ц105 0,35 50—75 120-150
Ц205 0,85 60—80 150—180
ПЩН20 0,03 25—35 40—60
ШЦН45А 0,10 35—45 60—90
ШЦН65А 0,14 35-45 70—90
ПЩН95А 0,34 50-75 120—150
1 Принято, что в 1 см” карбюризатора содержится в среднем 22 капли.
При использовании обычных шахтных печей типа Ц состав отходящих газов колеблется в широких пределах: 2—6% СН4, 20—28% СО, 55—70% Н2. В этих условиях регулировать углеродный потенциал очень трудно.
Общая продолжительность цементации состоит из времени нагрева деталей до рабочей температуры (930—950° С), выдержки для получения заданной глубины слоя и времени подстуживания (в печи или колодцах). Время подогрева для шахтных печей типа Ц — 1—4 ч. Продолжительность выдержки для получения требуемой глубины слоя устанавливают, руководствуясь табл. 167 и 168.
Химико-термическая обработка стали
333
167. Зависимость глубины цементованного слоя от времени выдержки при 930° С (без учета времени нагрева) при применении различных карбюризаторов
Глубина слоя, мм Время выдержки, ч
Керосин Пиробензол Синтин
0.7 —1,1 5—7 4-6 3—4
1,0—1,3 7-9 6-8 5—6
1,3—1,6 9—11 8—10 6—8
1,6—1,9 11 — 13 10—12 9—10
168. Средние значения скорости газовой цементации (мм/ч) при различных температурах
Глубина слоя, мм Температура, °C
900 925 950 975 1000
До 0,5 0,45 0,55 0,75 .
0,5-1,0 0,30 0,40 0,55 0,75 0,95
1,0—1,5 0,2 0,30 0,4 0,55 0,75
1,5—2,0 0,15 0,20 0,25 0,35 0,55
В печах непрерывного действия при определении продолжительности выдержки следует исходить из средней скорости цементации за все время обработки, включая время нагрева до температуры цементации. Среднюю скорость цементации при 930—950° С принимают равной 0,1—0,12 мм/ч при глубине слоя до 0,12 мм.
Другие методы цементации. Некоторое применение для мелких деталей нашла цементация в жидкой ванне (см. табл. 162). При индивидуальном производстве иногда применяют цементацию в пастах (табл. 169). Детали покрывают слоем пасты толщиной 3—4 мм, загружают в ящики, кромки которых промазывают глиной. Процесс ведут при 930—950° С в течение 1,5—3,0 ч для получения слоя глубиной 0,6—1,0 мм.
169. Составы паст для цементации
Компонент Содержание, %
I II III
Газовая сажа 28
Голландская сажа 30 55
Кальцинированная сода 3,5 10 30
Железосинеродистый калий 1,5
Веретенное йасло 67 40
Декстрин 20 •—
Щавелевокислый натрий — — 15
334
Черные металлы и сплавы
Если местная цементация необходима главным образом для повышения износостойкости, производят насыщение из обмазок с использованием индукционного или другого вида локального нагрева.
Для ускорения процесса температуру газовой цементации иногда повышают до 1000—1050° С, если сталь наследственно мелкозернистая.
Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей
Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате термической обработки, выполняемой после цементации (табл. 170). Эта обработка необходима для исправления структуры, а нередко и измельчения зерна сердцевины и цементованного слоя; получения высокой твердости цементованного слоя и хороших механических свойств сердцевины; устранения карбидной сетки в цементованном слое, которая может возникнуть при пересыщении его углеродом.
Примечания! 1. При всех вариантах обработки заключительная операция — низкий отпуск при 160—180° С в течение 1—2 ч.
2. Для уменьшения коробления сложных деталей закалку рекомендуется вести в оправках и штампах. При непосредственной закалке из цементационной печи необходимо учитывать интенсивность охлаждения, обеспечивающего получение структуры мартенсит и исключающего образование трещин и повышенных деформаций. Увеличение садки на поддон проходных безмуфельных печей более 100 кг приводит к повышенному разбросу в структуре, твердости и деформации деталей в пределах одного поддона.
Уменьшение скорости охлаждения вызывает снижение поверхностной твердости и прокаливаемости цементованного слоя, уменьшение предела выносливости и долговечности деталей, особенно при наличии внутреннего окисления.
В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита или мартенсита с небольшим количеством избыточных карбидов в виде гл обул ей. Твердость слоя для углеродистой стали HRC 60—64, а для легированной стали HRC 56—61. Снижение твердости объясняется повышенным количеством остаточного аустенита.
Структура сердцевины зависит от состава обрабатываемой стали и режима закалки. Сердцевина деталей из углеродистой стали состоит из феррита и перлита, а деталей из легированных сталей — из феррита и мартенсита (или бейнита) при закалке с температуры ниже Лс3 (для сердцевины), бейнита или низкоуглеродистого мартенсита при закалке с температуры выше Лс3. Низкоуглеродистый мартенсит обеспечивает высокую прочность и достаточную вязкость сердцевины. Сохранение обособленных участков или сетки феррита нежелательно, так как это сопровождается снижением прочности, пластичности и вязкости цементованного изделия. Твердость сердцевины HRQ 20—40.
При одинарной закалке высоколегированных сталей в структуре цементованного слоя сохраняется большое количество (до 50—60% и более) остаточного аустенита, снижающего твердость. Для разложения остаточного аустенита после цементации чаще применяют высокий отпуск при температуре 600—640° С, затем закалку с пониженной температуры и низкий отпуск (см. табл. 170). Иногда стали, содержащие большое количество остаточного аустенита, после закалки обра батывают при температуре—70-=—80° С; это превращает большую часть
Химико-термическая обработка стали
335
170. Режимы термической обработки цементованных деталей
Условия термической обработки Общая характеристика термической обработки Примечание
Непосредственная закалка в масле (расплавленные соли 160— 180* С) из цементационной печи с подсту-живанием до 800— 850 С (до температуры выше Ас9 сердцевины стали) Не измельчает зерна стали. Подстуживание уменьшает коробление деталей и повышает твердость слоя вследствие снижения количества остаточного аустенита. Рекомендуется для сравнительно малолегированных наследственно мелкозернистых сталей (15Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 25ХНМ, 25ХГР, 20ХН, 15ХНТА и др.) Широко применяют после газовой цементации в методических безмуфельных печах
Быстрое или медленное охлаждение после цементации, ' закалка с 760—780° С или с температуры выше Ас3 сердцевины стали При быстром охлаждении не образуется карбидная сетка, но увеличивается коробление деталей. Для полной закалки сердцевины нагрев производят выше Ас3. Для уменьшения коробления иногда применяют ступенчатую закалку (160—> 180* С) Применяют после цементации твердым карбюризатором и газовой в шахтных печах
Цементация о замедленным охлаждением, высокий отпуск при 600—640* С, 3— 10 ч закалка с пониженной температуры (780—800* С ~ 20Х2Н4А и 800— 820* С « 18Х2Н4ВА) Высокий отпуск вызывает распад остаточного аустенита и образование легированных карбидов. При нагреве । стали под закалку карбиды лишь частично растворяются в аустените. При последующей закалке аустенит пре^ терпевает мартенситное превращение, количество остаточного аустенита резко снижается, а твердость возрастает Применяют после цементации высоколегированных сталей (20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и др.), когда в цементованном слое много остаточного аустенита. После отпуска облегчается обработка резанием
Охлаждение после цементации на воздухе (или вместе с ящиком), двойная закалка или нормализация и закалка Первая закалка (или нормализация) с 880— 900° С устраняет карбидную сетку и измельчает зерно сердцевины. Нормализация дает меньше коробления, но не всегда устраняет карбидную сетку в слое. Вторая закалка с 760— 830° С измельчает зерно цементованного слоя Применяют редко, после цементации в твердом карбюризаторе ответственных деталей для получения высоких механиче- ских свойств. В результате двойного нагрева происходят большие коробления деталей и обезуглероживание
336
Черные металлы и сплавы
остаточного аустенита в мартенсит, в результате чего значительно повышается твердость. Однако после обработки холодом износостойкость и контактная выносливость ухудшаются.
Свойства цементованного слоя
Содержание углерода на поверхности цементованного слоя зависит от характера изделия. Для получения высокого сопротивления хрупкому разрушению при ударно-усталостных нагрузках (инструмент буровой техники и др.) концентрация углерода на поверхности должна быть 0,7—0,8%, для оптимального сопротивления усталостному разрушению при изгибе— 0,8—1,0% и для макси-
мального тактной
сопротивления кон-усталости и износу —
1,0—1,25% С.
После цементации, закалки и низкого отпуска твердость на поверхности HRC 58—64.
Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости (рис. 42) и резко понижает чувствительность к концентраторам напряжений, что является следствием образования в цементованном слое благоприятных остаточных напряжений сжатия (рис. 43).
Максимально повышается
Рис. 42. Влияние глубины цементованного слоя на предел выносливости стали 12ХНЗА:
/ — глубина слоя 0,4 мм; 2 — глубина слоя 0,85 мм; 3 —- 1,65 мм; 4-1,3 мм;
5 — ложная цементация
предел выносливости при цементации на сравнительно небольшую глубину (рис. 44), когда цементованный слой имеет после закалки мартенситную структу-
ру и в нем возникают высокие остаточные напряжения сжатия. В этом случае очаг усталостного разрушения, как правило, лежит под упрочненным слоем в районе
перехода сжимающих напряжений в растягивающие.
С увеличением глубины слоя (-^-£>0,16—0,20^ остаточные напря-
жения сжатия уменьшаются, а, как следствие этого, снижается предел выносливости и очаг разрушения перемещается в цементованный слой. Чем выше твердость сердцевины (больше в стали углерода), тем при меньшей толщине слоя снижается предел выносливости. Чрезмерное повышение твердости сердцевины (более HRC 40—42) не только сильно уменьшает сжимающие напряжения в слое, но может привести к образованию растягивающих напряжений, резко снижающих усталостную прочность.
Химико-термическая, обработка стали
337
Рис. 43. Остаточные тангенциаль* ные напряжения в стали 20ХНМ после цементации, закалки и низкого отпуска (а) и наклепа дробью (б)
Расстояние от поверхности, нн
Наличие в цементованном слое немартенситных продуктов превращения вследствие внутреннего окисления или образования карбидов
легирующих элементов снижает предел выносливости, поверхностную твердость и износостойкость. Предел контактной выносливости цементованной стали достигает 200 кгс/мм2.
Чаще всего контактная усталостная прочность (усталостное выкрашивание) с увеличением глубины слоя возрастает. Понижение контактной прочности с уменьшением глубины цементованного слоя проявляется тем сильнее, чем ниже твердость сердцевины.
Поэтому выбирать оптимальные параметры цементованного слоя и сердцевины следует на основе анализа конкретных условий работы детали, исходя из того, чем определяются долговечность и надежность — контактной или изгибной усталостной прочностью.
Опыт показывает, что для изделий, испытывающих высокие контактные напряжения и требующих высокого предела выносливости, сталь должна содержать углерода 0,17-0,22% (ов= 120+150 кгс/мм2, HRC 38—42) при глубине слоя = 0,16+0,2 R и концентрации углерода 1,1—1,2%.
Дополнительно предел выносливости цементованных изделий может быть повышен
Рис. 44. Влияние глуби-> ны цементованного слоя на предел выносливости сталей 18ХГМ (/): и ЗОХГТ (2):
д — глубина; R — радиус детали
338
Черные металлы и сплавы
дробеструйным наклепом, обкаткой роликами или вибронаклепом. В результате такой обработки остаточный аустенит превращается в мартенсит, растут сжимающие напряжения на поверхности (см. рис. 43) и, как следствие этого, дополнительно повышается предел выносливости.
Можно рекомендовать после цементации и закалку при индукционном нагреве, в процессе которой измельчается зерно, что вызывает повышение предела выносливости.
Азотирование
Азотированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя азотом путем нагревания в среде, содержащей аммиак.
Азотирование применяют для повышения поверхностной твердости и износоустойчивости, увеличения предела выносливости, а также коррозионной и эрозионной стойкости различных изделий.
При азотировании железа и углеродистых сталей структура диффузионного слоя (табл. 171 и рис. 45) находится в полном соответствии с диаграммой состояния железо—азот.
171. Строение азотированного слоя, полученного при разных температурах
Температура азотирования При температуре насыщения * После охлаждения
быстрого медленного
Ниже эвтектоидной (см. рис. 45) 8 -> у' -> а е -+ у' -> а 6 + Тизб-* V*-* а + + ?изб
Выше эвтектоидной е-> у'-> -► у~* а е-> у* -> -> а' -* а е + ?нзб** ?'"♦ -> а + у' -> а.+ Тизб
Выше 910° С а* эвт. а+ у"
* Многие легирующие элементы повышают растворимость азота в a-фазе. е- и у-фазы носят карбонитридный характер.
Примечания: 1. Расположение фаз дано от поверхности вглубь. 2. е-фаза — твердый раствор на базе нитрида Fe2_3N (4,55— — 11,0% N). Кристаллическая решетка — гексагональная (а = 2,702© е2,764Лх и с = 4,373—4,414£х). 3. у'-фаза — твердый раствор на базе нитрида Fe4N (5,3—• 5,75% N). Кристаллическая решетка ГЦК (а = 3,791—3,801 А). 4. а-фаза — твердый раствор азота в a-железе. Кристаллическая решетка ОЦК (а = 2,8664е 2,877 А). Растворимость азота при 4-20* С в a-фазе не превышает 0,11%. 5. у-фаза — твердый раствор азота в у-железе. Кристаллическая решетка ГЦК (а = 3,613/гх при 1,45% N ио = 3,648/гх при 2,79% N). 6. а'-фаза — азотистый мартенсит.
Химико-термическая обработка стали
339
При переходе от одной фазы к другой в азотированном слое происходит резкий перепад концентраций, который устанавливается при температуре диффузии и сохраняется после охлаждения (рис. 45).
При азотировании легированных сталей на поверхности образуется е-фаза (Fe, Ме)2_3 (N, С), за которой следуют а-фаза *, избыточная
Рис. 45. Диаграмма состояния Fe—N (а), распределение концентрации азота по глубине (б) и микроструктура азотированного слоя (в). Азотирование при температуре t
у'-фаза (FeMe)4N, нитриды легирующих элементов MeN (AIN, VN, TiN) и Me2N (Cr2N, Mo2N и др.) и исходные карбиды.
Эта часть слоя имеет характерное сорбитообразное строение и отличается от сердцевины тем, что более сильно травится (рис. 46). При температуре выше эвтектоидной при азотировании образуется у-фаза, претерпевающая в процессе охлаждения эвтектоидный распад у -> -> а + (FeMe)4N (см. рис. 45) или мартенситное превращение.
340
Черные металлы и сплавы
Азотированию можно подвергать любые стали. Когда требуется высокая твердость и износостойкость, азотируют сталь 38ХМЮА. В последние годы для изделий, упрочняемых азотированием, чаще используют конструкционные улучшаемые стали, не содержащие алю-
Рис. 40. Микроструктура азотированного слоя стали: л — 38ХМЮА (Х180); б—18Х2Н4А (Х200); в — ЗОХЗВА (Х200)
миния, например, 40Х, 40ХФА, 20ХЗМВФ, ЗОХЗМФ1, 38ХНМФА, 40ХГМ, 20ХЗВА, 20ХН2МФ, 18Х2Н4ВА и др.
Азотирование широко применяют для коррозионностойких и жаропрочных сталей, мартенситно-стареющих сталей, а в последнее время и для инструментальных и штамповых сталей (Р18, Р9, Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ, 5ХНМ, 5ХНТ, 40ХСМФ, 4Х5МФС и др.).
Химико-термическая обработка стали
341
Технология газового азотирования
В общем виде технологический процесс азотирования изделий из стали 38ХМЮА можно представить в виде следующих последовательных этапов: 1) предварительной термической обработки, цель которой — придать стали требуемые механические свойства; 2) механической обработки детали, включая шлифование; 3) защиты мест, не подлежащих азотированию; 4) азотирования; 5) окончательного шлифования или доводки изделия в соответствии с заданными допусками.
Предварительную термообработку — закалку и высокий отпуск — обычно проводят в заготовках.
Температура отпуска после закалки должна превышать температуру азотирования.
Для ответственных изделий со сложной конфигурацией перед шлифованием рекомендуется стабилизирующий отпуск для снятия внутренних напряжений, которые возникают в изделии при резании и могут быть источником повышенных деформаций при азотировании. Стабилизирующий отпуск производят при 550—600° С в течение 3— 10 ч с последующим медленным охлаждением (печь, воздух).
Нередко бывает необходимо отдельные части изделия предохранить от азотирования. Для этого чаще всего гальванически покрывают оловом места, не подлежащие азотированию. Защитное действие олова проявляется в том, что при температуре азотирования оно расплавляется и удерживается на поверхности стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки благодаря действию сил поверхностного натяжения. Толщина оловянного покрытия должна быть 6—8 мкм. Для местной защиты от азотирования нержавеющих сталей применяют химическое (толщина 8—10 мкм) или гальваническое (толщина до 30 мкм) никелирование.
На многих заводах применяют жидкое стекло. Перед покрытием детали обезжиривают, промывают горячей водой, а затем окунают в жидкое стекло и просушивают при 90—120° С в течение 1,5 ч. Пленка жидкого стекла должна быть прозрачной, без просветов и механических повреждений.
При азотировании коррозионностойких сталей необходимо с поверхностей, подлежащих азотированию, удалить пленку окислов, препятствующую диффузии азота в металл. Удаляют окисную пленку травлением в водных растворах кислот или введением в рабочее пространство печи хлористого аммония или четыреххлористого углерода.
Рекомендуемые режимы азотирования конструкционных и нержавеющих сталей приведены в табл. 172 и 173, а инструментальных сталей — в табл. 174.
Выбор температуры процесса азотирования для изделий из конструкционных сталей определяется требованиями к толщине и твердости слоя: при высокой твердости и небольшой толщине слоя рекомендуется применять низкую температуру, при больших толщинах и меньшей твердости — более высокую температуру; при больших толщинах и высокой твердости применяют двухступенчатый режим сначала при 500—520° С и далее при 540—580° С (рис. 47, 48).
Время выдержки отсчитывается с момента достижения в печи заданной температуры и назначается в зависимости от требуемой глубины насыщения слоя и температуры процесса азотирования (см. рис. 10). Не следует стремиться к большой глубине слоя. При большой глубине
342
Черные металлы и сплавы
слоя снижается предел выносливости, возрастают деформации (коробление) детали. Обычно дается значительный припуск на азотируемые детали для устранения возникающих изменений размеров и формы, что нельзя признать правильным. При рациональной укладке изделий в печи, минимальной температуре и толщине слоя коробление и деформации невелики.
Скорость протекания аммиака должна быть такой, чтобы диссоциация аммиака была в требуемых пределах (табл. 175).
время азотирования^
Рис. 47. Зависимость измеа нения твердости азотированного слоя от температуры процесса:
1 — углеродистая сталь (40, 45 и др.); 2 — легированные конструкционные стали (40Х, 18Х2Н4ВА, 20ХГНМ и др.); 3 — сталь 38ХМЮА
Рис. 48. Изменение глубины азотированного слоя в завин симости от температуры и продолжительности процесса
Для снижения хрупкости азотированного слоя и экономии аммиака рекомендуется азотирование в аммиаке, разбавленном азотом (аргоном) до 70—80%. Снижение хрупкости применительно к стали 38ХМЮА связано с уменьшением концентрации азота в е-фазе и меньшим ее развитием. Глубина азотированного слоя, его твердость и сопротивление износу при разбавлении аммиака азотом до 80% не изменяются, но коррозионная стойкость несколько снижается.
В процессе насыщения стали азотом возможны изменение размеров и деформация деталей. Чем выше температура, больше глубина слоя азотирования и сложнее деталь, тем больше деформация. Изменение размеров детали с одинаковыми по глубине слоями азотирования тем больше, чем меньше толщина стенки изделия и больше диаметр.
Азотирование применяют и для повышения коррозионной стойкости. Азотированный слой устойчив против коррозии в атмосфере, водопроводной воде, перегретом паре и ряде других сред. Высокой коррозионной устойчивостью обладает лишь высокоазотистая е-фаза.
Поэтому для получения надежной защиты от коррозии необходимо стремиться к развитию е-фазы. Процесс антикоррозионного азотирования осуществляется при 600—750° С в течение 0,25—6 ч. Чем выше
Химика-термическая обработка стали
343
172. Рекомендуемые режимы азотирования конструкционных и нержавеющих сталей
Сталь Температура азотирования# °C Продол* житель-ность выдержки# ч Глубина слоя, мм Твердость азотированного слоя# HV
38ХМЮА 38ХВФЮА 18Х2Н4ВА 40ХНМА ЗОХЗМФ1С 25Х2Н2МФ и 25ХЗНЗМФ 30Х2Н2ВА 40ХНМА 40ХНВА 30Х2Н2ВА 30Х2Н2ВФА , 30Х2Н2ВФМА Б00-520 640 510 для 1-й ступени 550 для 2-й ступени 510 490—510 510 для 1-й ступени 540 для 2-й ступени 560 560 575 510 для 1-й ступени 540 для 2-й ступени 500—520 48—60 36—48 15 25 24-48 40—50 25 35 24 25 25 25 35 50—60 0,40—0,50 0,5—0,6 0,5—0,6 0,38—0,4 0,35—0,40 0,5—0,6 0,5 0,4 0,5 0,5—0,6 0,5—0,6 1000—1100 900—100 850—1000 850—950 750—850 600 900 — 950 850 750 750 640 700 700 700
40ХНВА 30Х2Н2ВА 30Х2Н2ВФА 30Х2Н2ВФМА ЗОХЗВА 510 для 1-й ступени 540 для 2-й ступени 500—525 25 30 60—80 0,6-0,7 0,35—0,55 640 700 700 700 750-800
10X13 500 550 600 48 48 48 0,14—0,16 0,25—0,30 0,35—0,40 1000—1050 900—950 800 — 850
20X13 500 550 600 48 48 48 0,10—0,12 0,25—0,30 0,30—0,40 1000—1050 900—950 780—830
15Х11МФ 15Х12ВМФ 530 для 1-й ступени 580 для 2-й ступени 10 20 0,35-0,4 900—950
4Х14Н14В2М 560 600 60 48 0,10—0,12 0,10—0,12 800—900 750—800
25Х18Н8В2 560 560 600 24 40 24 0,12—0,14 0,16—0,20 0,12—0,16 950—1100 900—950 900—950
12Х18Н9 08Х18Н10Т 560 50—60 0,2—0,25 1000—1100
Н18К9М5Т 500 450 24 48 0,25 0,25 900 900—950
173. Режимы азотирования некоторых деталей машин
Сталь Температура азотирования, °C Продолжительность выдержки, ч Глубина слоя, мм Твердость слоя, HV Примечание
38ХМЮА 510 (1-я ступень) Гильзы 12 цилиндров ди 0,5—0,8 зелей 950-1000 Азотирование проводят в контей-
(38ХВФЮ) 18Х2Н4ВА 40Х 40ХФА 18ХГТ 38ХМЮА 540 (2-я ступень) 490—500 Валы, п 510 510 (1-я ступень) 42 Коле 40—48 ланки, mpyt 18—24 15—20 нчатый вал dt 0,35—0,4 бчатые изделш Не менее 0,25 Не менее 13еля 600 г в станкострс 500—610 610—700 630—720 850 — 950 нерных печах с передвижной нагревательной камерой и двумя муфелями. Гильзы устанавливают вертикально, буртами вверх Валы укладывают на специальные приспособления на 6—8 крайних щек с приподнятой средней частью. Хорошие результаты получены при вращении вала )ении Шпиндели для опор качения, ходовые винты пар скольжения Шпиндели для опор скольжения.
ЗОХЗВА 540 (2-я ступень) 510 (1-я ступень) 25—40 15—20 0,25 Не менее 720—800 гильзы, втулки, пиноли, червяки делительных пар Ходовые винты пар качения и пар
40ХФА | 1 1 540 (2-я ступень) ею । 25-40 Зубчатые t 0,25 голеса (станков (0,1—0,13) но не более 0,6 строение) 610—700 скольжения, накладные направляющие планки и др. Азотирование применяют для колес, не переключаемых или редко переключаемых (при обеспечении синхронизации зубчатой пары В\ момент переключения) t
Черные металлы и сплавы
Детали турбин
1X13 2X13 3X13 * 510 550 530 (1-я ступень; 580 (2-я ступень) 55—60 55—60 20 20 0,15 — 0,25 0,25 — 0,35 0,25—0,30 950—1100 850—950 850—900 Детали, испытывающие эрозионный износ (лопатки направляющего аппарата), работающие в условиях износа в коррозионной среде
15Х11МФ 15Х12ВМФ * 1 530 (1-я ступень) 580 (2-я ступень) 10 18 0,3-0,4 850—900 Лопатки соплового аппарата, штоки, втулки, седла, клапаны
Клапаны дизелей
4Х14Н14В2М * 550 575 (1-я ступень) 630 (2-я ступень) 55—60 25 35 0,1 — 0,12 0,1 —0,2 900—1000 850—900 При азотировании крупнозернистой стали часто наблюдается шелушение азотированного слоя. При крупном зерне рекомендуется предварительная закалка от 1050° С
Коленчатые валы и i втулки в тепловозостроении *
Высокопрочный чугун марки ВПЧ, ВПЧНМ 550—560 (1-я ступень, степень Диссоциации 30—40%) 570*-580 — 2-я ступень, степень диссоциации 40—65% или 550—560 — 1-я ступень, степень диссоциации 25—35%, 560—570 — 2-я ступень, степень диссоциации аммиака 40— 50% 570—580 — 3-я ступень, степень диссоциации 50—60% 30 60 30 30 30 0,7 НДС 40 ** (при слое 0,3 мм шейки коленчатого вала) НДС 43—50 ** при слое 0,4—0,5 мм (втулки цилиндров) Максимальный износ азотированных втулок составляет 0,03—0,06 мм на диаметр за 5000 ч работы дизеля, а неупрочненных из легированного чугуна 0,2—0,3 мм Износостойкость азотированных валов в 5—8 раз выше, чем неупрочненных. Предел выносливости коленчатых валов в результате азотирования повышается на 30—40%. Диаметральный износ шеек валов дизеля ТЭП-60 за 600 000 км пробега составляет 0,013 мм, а износ шеек неупрочненных коленчатых валов 0,11 мм
* Для удаления окисной пленки перед азотированием производится травление поверхности или при азотировании в муфель печи вводят NH«C1 (СС14).
* * После окончательной механической обработки. Шейки валов шлифуются после азотирования для исправления коробления, галтели полируются.
Химико-термическая обработка стали
174. Режимы азотирования инструментальных сталей (по Ю. А. Геллеру, Л. П. Павловой)
Сталь Режим азотирования Т вердость слоя, •• HV Глубина слоя, мм Примечание
Темпе-ратурв, Время,
Р9, Р18 510 — 520 0,25—1,0 * 1340—1460 0,01 = 0,025 Для повышения вязкости первый отпуск проводить при 350® С, а последующие при 560® С
Х12М, Х12Ф1 510 — 520 8—12 1100—1200 0,08-0,12
ЗХ2В8Ф, 4Х5В2ФС и др. 530—540 12—16 1100 0,2 — 0,25 Лучшей прочностью, вязкостью и раз-гаростойкостью азотированные штампы обладают после закалки о 1000—«1050® С и отпуска при 660=600® С ***
* Для мелкого инструмента (диаметром менее 15 мм) 15=20 мин, для более крупного диаметром (16=30 мм) 25=35 мин и крупного (диаметром более 30 мм) 60 мин. * * Азотированный слой обладает высокой теплостойкостью. Твердость HV 700 сохраняется до 650—700® С. * ** В некоторых случаях, например для штампов и пресс-форм, испытывающих высокие нагрузки и не подвергаемых шлифованию, применяют азотирование перед закалкой. В этом случае азотирование ведут при 520* С 12 ч или при 560—580° С 10 ч для получения слоя глубиной 0,15—0,20 мм. После нагрева под закалку глубина слоя возрастает до 0,20—0,25 мм. Температура закалки обычно 1000—1050® С, что на 30—50® С ниже по сравнению с принятыми при обычной обработке. Твердость слоя, полученного у стали ЗХ2В8Ф, составляет HV 780—830 (HRC 64—65) и у сталей 4Х5В2ФС — HV 900—950 (HRC 67—68), что ниже, чем твердость слоя, полученного после закалки и отпуска, но значительно выше твердости неазотированной стали. При нагреве до 620—640® С твердость снижается до HRC 50. После такой обработки в диффузионном слое отсутствуют е-фаза и нитридная сетка, что повышает на 20—30% прочность и вязкость стали по сравнению с азотированием после отпуска.
со о
Черные металлы и сплавы
Химико-термическая обработка стали
347
175. Температура азотирования и степень диссоциации аммиака для конструкционных и нержавеющих сталей
Стали Температура азотирования, °C Степень диссоциации, % Стали Температура азотирования, °C Степень диссоциации, %
Конструкционные 500—520 520 — 540 540—560 20—40 30—50 40—60 Нержавеющие 500 560 600 650 15—25 25—40 35—50 50 — 70
температура азотирования и меньше габарит изделия, тем меньше должна быть продолжительность процесса для получения коррозионноустойчивого азотированного слоя.
Эксплуатационная стойкость изделий с антикоррозионнь/м покрытием зависит от плотности слоя. Наличие в азотированном слое пор приводит к интенсивной коррозии оголенных точек основного металла.
Азотирование в тлеющем разряде (ионное азотирование)
Азотирование в тлеющем разряде проводят в разреженной азотосодержащей атмосфере при подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду (катоду). Анодом является контейнер установки. При обработке деталей сложной конфигурации применяют специальные профилированные аноды. Между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд, и ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования реализуется в две стадии: I — очистка поверхности катодным распылением; II — собственно насыщение.
Катодное распыление проводится в течение 5—60 мин при напряжении 1100—1400 В и давлении 0,1—0,2 мм рт. ст. В процессе катодного распыления температура поверхности детали не превышает 250° С. Температура азотирования 470—580° С, разрежение 1—10 мм рт. ст., рабочее напряжение 400—1100 В, продолжительность процесса составляет от нескольких минут до 24 ч.
Ионное азотирование (по сравнению с печным) имеет следующие преимущества:
1. Ускорение диффузионных процессов в 1,5—2 раза.
2. Ионное азотирование позволяет получить диффузионные слои регулируемого состава и строения.
3. Незначительные деформации изделий и высокий класс чистоты поверхности.
4. Азотирование коррозионностойких, жаропрочных и мартен-ситно-стареющих сталей без дополнительной депассивирующей обработки.
5. Значительное сокращение общего времени процесса за счет уменьшения времени нагрева и охлаждения садки.
6. Большая экономичность процесса, повышение коэффициента использования электроэнергии, сокращение расхода насыщающих газов.
348
Черные металлы и сплавы
7. Процесс нетоксичен и отвечает требованиям по защите окружающей среды.
Ионное азотирование применяют для обработки различных сталей и сплавов: азотируемых сталей-нитраллоев, инструментальных, мартен-ситно-стареющих, нержавеющих хромистых и хромоникелевых сталей, чугунов и т. д.
Для защиты поверхности от азотирования используют гальванические покрытия, например, никелевые толщиной 10—15 мкм и экраны.
Свойства азотированной стали
Азотированный слой обладает высокой твердостью (см. табл. 172) и износостойкостью. Распределение твердости по глубине азотированного слоя различных сталей можно видеть на рис. 49. Азотированный слой обладает высоким сопротивлением износу и задиру. Износостой-
Рис. 49. Распределение твердости по глубине азотированного слоя стали 38ХМЮА (а, б, в) и 18Х2Н4ВА (г):
а — 520° С; б - 550° С; • —600°С; г — 24 ч; / — 6 ч; 2 — 24 ч; 3 — 48 ч
кость азотированной стали в 1,5—4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых и цементованных сталей. Твердость азотированного слоя не изменяется при нагреве до 450—500° С.
Сплошное азотирование изделий при правильном конструктивном оформлении надрезов, галтелей и т. д. является одним из основных методов повышения предела выносливости детали. Надрезы, царапины, резкие переходы сечений, отверстия и т. д., понижающие предел выносливости, после азотирования практически не оказывают ослабляющего влияния. Влияние азотирования тем сильнее, чем меньше размеры поперечного сечения и выше конструктивные или технологические концентраторы напряжений (табл. 176).
Химико-термическая обработка стали
349
176. Влияние азотирования на предел выносливости
Тип образца Предел 1 ВОСТИ O-J выносли-., кгс/мм2
Сталь после улучшения после азотирования
45 Гладкий, 0 = 7,5 мм С надрезом, R = 0,5 мм 44 25 61 48
38ХМЮА Гладкий, 0 = 7,5 мм С надрезом, R = 0,3 мм 48,5 37 62 68
18Х2Н4ВА Гладкий, 0 = 7,5 мм С надрезом, 0=7,5 мм Гладкий, 0 = 30 мм То же, 40 мм С надрезом, 0 = 30 мм С надрезом, 0 = 40 мм 54 22,7 40 33 17,8 16,3 70 52 45 40 27 23
38ХНМФА Гладкий, 0 = 7,5 мм С надрезом 51,1 14,3 69 54
38ХГМ Гладкий, 0 = 7,5 мм Гладкий трубчатый, 0 = С буртом, г = 0,055 мм, 40 мм С поперечным отверстием, С посадкой кольца 40 мм диаметром 0 = 5 мм 50 49 24 14 18 66 52 42 29 44
Примечания! 1. Азотирование проводилось при 520— 540* С, глубина слоя 0,35—0,45 мм. 2. На образцах диаметром 7,5 мм надрез о углом 60° и глубиной 0,24 мм.
Основной причиной повышения предела выносливости является образование в азотированном слое благоприятных остаточных напряжений сжатия (рис. 50).
Максимальный предел выносливости получается при сравнительно небольшой глубине слоя. Для деталей без концентраторов напряжений рост предела выносливости наблюдается лишь при отношении глубины слоя (Д) к радиусу (7?), равном 0,1—0,2. При наличии концентраторов напряжений максимальное значение предела выносливости достигается при = 0,01. При дальнейшем увеличении глубины слоя предел А
выносливости или не изменяется, или снижается вследствие уменьшения напряжения сжатия в слое и увеличения напряжений растяжения в сердцевине.
Особенно резко это сказывается, когда глубина азотированного слоя соизмерима с толщиной сечения детали. Одновременно следует учитывать, что с увеличением длительности процесса происходит разупроч-
350
Черные металлы и сплавы
некие сердцевины. Предел прочности может снижаться на 10—20% в зависимости от температуры и состава стали. Это уменьшает предел выносливости, так как разрушение начинается под слоем.
Толщина д) е) ж) з)
Рис. 50. Распределение остаточных напряжений по глубине азоти* рованного слоя стали 20ХГНМ (а, б, -а, г) и 40ХГМ (д, е, ж, з): а, д — 550° С (50 ч); б, е — 525е С (100 ч); в, ж - 500* С (100 ч);
г, з — 475° С (150 ч)
Чем выше температура азотирования, тем ниже абсолютное значение предела выносливости (рис. 51). Это связано с разупрочнением сердцевины и уменьшением остаточных напряжений сжатия.
Чрезмерное повышение степени диссоциации аммиака понижает предел выносливости.
Химико-термическая обработка стали
351
После проведения процесса азотирования нередко требуется добавочно обработать слой. Шлифование на глубину 0,05 мм (при общей глубине слоя 0,4—0,45 мм) не сопровождается снижением усталостной прочности. Более глубокое шлифование понижает предел усталости. Надрез глубиной, превышающей глубину упрочнения слоя, снимает упрочнение, вызванное азотированием.
Чтобы предупредить нарушение твердого поверхностного слоя, необходимо тщательное охлаждение при шлифовании. При этом нельзя допускать высоких скоростей шлифования и следует соблюдать пред-
Теппература Температуря
азотирования, °C азотирования, °C
а} в)
Рис. 51. Влияние температуры азотирования иа механические свойства стали 18Х2Н4ВА (а) и 38ХНМФА (б)
осторожность при транспортировке и монтаже деталей. Применение местного предохранения от азотирования или удаления слоя в таких местах устраняет эффект азотирования.
Предел выносливости азотированных деталей, как это видно из табл. 177, может быть повышен обкаткой роликами.
Обкатка роликами существенно уменьшает неблагоприятное влияние шлифования и улучшает чистоту поверхности. Правка азотированных деталей снижает предел выносливости. Стойкость против образования питингов у азотированных конструкционных сталей невелика. При повышенных контактных напряжениях глубина азотированного слоя должна быть не менее 0,4—0,5 мм. Азотирование следует использовать в тех случаях, когда контактные напряжения не слишком велики и деталь работает в условиях трения скольжения (или абразивного износа). Азотирование повышает сопротивление стали кавитационной эрозии. Азотирование режущего и накатного инструмента (сверл, метчиков, накатников и т.д.) из быстрорежущей стали повышает
352
Черные металлы и сплавы
177. Влияние обкатки роликами на предел выносливости азотированных образцов из стали 18Х2Н4ВА *
Вид упрочнения Предел выносливости,^ 0-1
кгс/мм’ %
Улучшение Улучшение, обкатка галтелей и цилиндриче- 35 100
ской части 61,8 173
Азотирование . . 58 163
Азотирование и обкатка галтелей ** ... Азотирование, обкатка галтелей и цилиндри- 63 177
ческой части 67 188
* Образцы с концентратором напряжения в виде i перехода (коэффициент концентрации 1,95). галтельного
** Упрочняющая деформация азотированного слоя проводится
при удельном давлении 500—650 кгс/мм’. Более низкое давление не
повышает предел выносливости, а более высокое вызывает растрески-
вание и шелушение слоя.
их стойкость в 1,5—2 раза. Азотирование повышает в 4—5 раз устойчивость против разрушения пресс-форм из сталей ЗХ2В8Ф и 4Х5В2ФС в расплавленных алюминиевых сплавах.
Азотирование в жидких средах (низкотемпературное цианирование, углеродоазотирование, тенифер-процесс)
Жидким азотированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении стали одновременно азотом и углеродом при температуре в интервале, как правило, 560— 580° С в расплаве, содержащем цианистые соли (табл. 178).
Диффузионный слой, образующийся в указанных ваннах при температуре 570° С, состоит из двух зон (рис. 52): 1) поверхностной, состоящей в основном из е-фазы (Fe, Ме)3 (NC), и 2) диффузионной, которая состоит из азотистого а-раствора, нитрида железа (Fe, Me)4N (у'-фазы) и исходных карбидов (рис. 52).
Глубина карбонитридного слоя не превышает 15—16 мкм. Общая глубина слоя составляет 0,15—0,5 мм.
Карбонитридная зона способствует увеличению задиростойкости, уменьшает коэффициент трения, повышает износостойкость, обусловливает хорошую прирабатываемость трущихся поверхностей и сопротивление коррозии. На поверхности карбонитридной зоны нередко образуются поры, что снижает твердость и контактную прочность. Регулируя активность насыщающей среды (концентрации азота в слое) и длительность процесса (глубину слоя), можно устранить пористость. В зависимости от температуры и продолжительности процесса качество карбонитридного слоя можно определить по диаграммам преимущественных режимов (рис. 53). Отдельные поры не влияют на твердость
Химико-термическая обработка стали
353
и пластичность карбонитридной зоны и позволяют улучшить прира-батываемость путем удержания смазки в поверхностных порах. При постоянном режиме насыщения пористость может возникнуть вследствие содержания в расплаве K<Fe (CN)e.
Чем больше в стали нитридообразующих элементов (Сг, Мо, W, V, Ti и т. д.), тем выше ее твердость: для углеродистых сталей HV 150—300, а для легированных конструкционных сталей HV 500—700, для стали 38ХМЮА HV 950—1000 и высоколегированных сталей Х13, XI8, Х18Н9 HV 750—1100. Азотирование в расплавленных солях значительно повышает предел выносливости (рис. 54), что связано с образованием в упрочненном слое остаточных напряжений сжатия.
Рис. Б2. Микроструктура азотированного (цианированного) слоя на железе (а), стали 25 (б) и стали 40Х (в). Увеличение в 250 раз
Азотирование применяют для упрочнения деталей широкой номенклатуры. В автостроении обрабатывают коленчатые и кулачковые валы, рычаги управления, шестерни масляных насосов, крыльчатки водяных насосов, в станкостроении — шестерни и шпиндели, в химическом машиностроении—детали насосов, шнеки, цилиндры экструдеров и т. д. Значительное применение азотирование получило в инструментальном производстве.
Иногда применяют сульфоцианирование, т. е, одновременное насыщение поверхности стали азотом, углеродом и серой. Процесс проводят 12
354
Черные металлы и сплавы
178. Жидкое азотирование (низкотемпературное цианирование)
Состав ванны при загрузке Рабочий состав ванны, % Темпера» TyjKI < Продолжительность, ч Примечание
Цианид-цианатная ванна
85% (40% KCNO, 60% NaCN) 4-4- 15% Na2CO8 KCNO или NaCNO — 25-40% KCN или NaCN — 50% Na2CO2 — остальное KCNO 1 42— NaCNO J 48% а} Na2CO3 — остальное NaCN —45% KCNO ~ 32% NatCOe — 23% 570 500—600 1 — 3 1 — 3 Фирма «Дегусса» (ФРГ), тенифер-процесс. Процесс ведут в титановых тиглях при продувке воздухом Туфтр иди и г- процесс (США)
Ванны на основе карбамида *
(NH2)2CO -55% (карбамид) NaCNO — 25—35% (32%)** 28-40% (38%)** Na2CO2 — 25-35% (30%)** NaCNO — 20—40% NaCN — 12—20% Na2CO. — 60—60% 560— 580 560—580 1—4 1—4 Цианат натрия получен при предварительном сплавлении карбамида и кальцинированной соды
* Фирма «Дегусса» разработала ванну на основе мочевины н поташа с добавкой регенератора (триазин), благодаря которому соль в процессе работы восстанавливается и уменьшается выпадение железистых осадков, требующих частой смены расплава. * * Даны предпочтительные цифры.
при 560—580° С в средне- или высокоцианистых ваннах, содержащих сернисто- или сернокислые соли (Na2S2O3, NaaCOa, Na2SO4, Na2S и др.) в количестве 2—25%.
Строение сульфоцианированного слоя такое же, как после низкотемпературного цианирования (жидкого азотирования), но на самой поверхности образуется тонкий слой сульфида FeS.
Сульфоцианирование уменьшает коэффициент трения, повышает износостойкость, противозадирные свойства и предел выносливости.
Химика-термическая обработка стали
355
Рис. 53. Диаграммы преиму^ щественных режимов жидкого азотирования:
а — сталь 20; б сталь 40Х, 40ХН; в — сталь 38ХМЮА; / — зона пористых слоев; 2 — зона преимущественных режи* мов; 3 — зона недостаточно развитого слоя
Значительно улучшается приработка сопряженных трущихся поверхностей.
Высокая токсичность процессов «жидкого азотирования» ограничивает возможность' его применения.
Рис. 54. Влияние жидкого азо=* тирования при 570° С (90 мин) на предел выносливости стали: / _ охлаждение в воде; 2 —на воздухе; 3 — с печью; 4 — до азотирования
356
Черные металлы и сплавы
Азотирование с добавками углеродосодержащих газов (низкотемпературная нитроцементация, углеродоазотирование, никотрирование)
Химико-термическая обработка проводится при температуре 560— 580° С в атмосферах аммиака с добавками углеродосодержащих газов (табл. 179).
179. Низкотемпературная нитроцементация (никотрирование)
Насыщающая среда Температура, °C Продолжительность процесса, ч Примечание
Эндогаз (40% Hs4- 4-20% СО + 40% Nt) 4- 50% NH8 570 0,5^3 После окончания процесса охлаждение в светлокалящем масле
Экзо-эндогаз (20% Н> 4-4- 20% СО 4- 60% N±) с точкой росы 0® С 4-4-50% NHe Аммиак 4- экзогаз (90% N* 4- Ю% СО8) Продукты пиролиза керосина, спирта или синти-на — 50% 4- NH3 50% 570 570 0,б«-3 1—6 или в потоке защитного газа. Охлаждение в масле повышает предел выносливости
Примечание. При применении эндогаза ниже 700° С воз-
можен взрыв. Для предотвращения взрыва рекомендуется следующая
технология: у передней , дверцы создают пламенный затвор, печь на-
гревают до 800® С, подают при этой температуре эндогаз и аммиак,
далее снижают температуру до 620 С, печь постоянно продувают
газом, загружают детали и проводят • процесс при 570 С.
В результате низкотемпературной нитроцементации образуется диффузионный слой, аналогичный получаемому при жидком азотировании (см. рис. 52).
Низкотемпературная нитроцементация повышает твердость на поверхности, сопротивление износу и задиру, обеспечивает хорошую прирабатываемость и высокий предел выносливости.
Процесс рекомендуется вести в герметизированных камерных печах с загрузочным тамбуром и масляным закалочным баком.
Высокотемпературная нитроцементация (азотонауглероживание, карбонитрирование)
Высокотемпературной нитроцементацией называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре, как правило, 800—950° С в газовой среде (табл. 180).
Наилучшие результаты получаются при использовании эндотермической атмосферы (с регулируемым потенциалом углерода), к которой добавляют аммиак (табл. 180)
Химико-термическая обработка стали
357
180. Нитроцементация стали
Насыщающая среда Температура, °C Глубина слоя, мм Примечание
Эндо газ (20% СО, 40% Н3, 40% Nt) + + 3—5% СН4 (необработанный природный газ) + 3-5% NH, * 860 0,25-1,0 Процесс ведут в безму-фельных методических печах. Углеродный потенциал регулируют по точке росы или содержанию СОВ. Приборы для регулирования потенциала азота4 не разработаны
Маловодородистый экзо-эндогаз (20% СО, 20% Н2, 60% N8) 4-+ 0,5—0,8% СН4 4-4- 2-4% NH3 Маловодородистый эндо газ 4- 1,5% СН44-4- 4-6% NH3 860 820—860 0,5—0,8 0,2—0,5 То же. Применение маловодородистой эндотермической атмосферы устраняет возможность возникновения водородной хрупкости
Природный газ (97 — 98% СН4) 4- 20-25% NH3 860 0,6-0,9 Процесс ведется в шахтных печах типа Ц
Триэтаноламин (С2Н4ОН)3 4- ю% НвО 860-930 0,2—1,0 0,8—1,5 Процесс ведется в шахтных и ретортных шнековых печах. Дозированную подачу триэтаноламина в печь осуществляют с помощью топливного насоса. Через охлаждаемую водой трубку или с помощью электромагнитного дозатора
Карбюризатор (синтин, керосин, спирт и др.) 4- 5-50% NH3 от общего объема ** 860-930 0,4-1,5 Процесс ведется в шахтных печах
* Из-за отсутствия приборов автоматического регулирования азота подача NH3 в атмосферу должна строго контролироваться. * * Рекомендуется подавать в печь азот для лучшей циркуляции газа в рабочей реторте печи. В печь Ц60 рекомендуется вводить 43—49% керосина (0,5 л/мин), 14—17% NH3 (2,1 см3/мин) и 34—43% технического азота (1,5 л/мин азота).
358
Черные металлы и сплавы
Для получения слоя глубиной 0,6—0,8 мм выдержка в методических безмуфельных печах при 860° С должна составлять 6—8 ч и для глубины 0,8—1,0 мм 10 ч.
При проведении нитроцементации в шахтных печах с использованием триэтаноламина или газа, полученного из жидких карбюризаторов (керосин, спирт, синтин и т. д.) в смеси с аммиаком (см. табл. 180), для установления времени выдержки можно пользоваться данными, приведенными в табл. 181.
181. Приближенные значения средней скорости нитроцементации, мм/ч, при различных температурах процесса
Глубина слоя, мм 860° С 930° G 950° С
До 0,5 0,20 0,40 0,50
0,5—1,0 0,15 0,30 0,40
1,0—1,5 0,12 0,2 0,30
После высокотемпературной нитроцементации следует закалка непосредственно из печи с подстуживанием до температуры 800— 825° С. Применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при температуре 130—180° С.
Нитроцементованный слой легко обезуглероживается, что приводит к резкому снижению механических свойств. Поэтому нужно соблюдать особую предосторожность при переносе деталей из печи в закалочный бак; повторная закалка нитроцементованной стали в атмосфере без регулирования углеродного потенциала не рекомендуется.
При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементо-ванного слоя должна состоять из мелкоигольчатого мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25—30% остаточного аустенита. Твердость слоя после закалки и низкого отпуска HRC 58—64 (HV 570—690). Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошие приработочные свойства, например у нешлифуемых автомобильных шестерен, и их бесшумность в работе. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содержании углерода и азота (рис. 55) на поверхности нитроцементованного слоя. Для стали 25ХГТ при глубине слоя 0,5—0,75 мм оптимальная сумма N и С— 1,05— 1,25%, для стали 25ХГМ — 1,3—1,65% и для стали 40Х — 1,0—1,25%. Во избежание пересыщения слоя азотом и углеродом добавка к эндотермическому газу аммиака и природного газа при нитроцементации должна быть возможно меньшей (см. табл. 181). Азота в слое должно быть не меньше того количества, которое .устраняет вредные последствия внутреннего окисления (—0,1—0,15%). При высоком содержании азота (более 0,4—0,5%) на поверхности образуется «темная составляющая». Оба дефекта микроструктуры понижают предел выносливости при изгибе и контактную прочность. При минимальной концентрации углерода в нитроцементованном слое в микроструктуре появляется троостит. При высоком содержании углерода образуются
Химико-термическая обработка стали
359
карбонитриды, располагающиеся преимущественно по границам зерен в виде сплошной или разорванной сетки.
Наиболее легко карбонитриды образуются в стали, легированной
титаном, ванадием и хромом.
Переход углерода и легирующих элементов в карбонитриды пони-
Рис. 55. Механические свой* ства сталей 40Х, 2 5ХГТ, 2 5ХГМ и 25ХГМТ в за вин симости от суммарного со-* держания углерода и азота в нитроцементованном слое
100
90
80
70
троостита. Образование сетки карбонитридов и троостита снижает предел выносливости, пластичность и вязкость. Оптимальная концентрация углерода в сумме С + N на поверхности нитроцементованного слоя стали 25ХГТ — 0,65—0,9%, а для стали 25ХГМ — 0,75—1,2%.
Высокотемпературная нитроцементация имеет ряд преимуществ по сравнению с газовой: процесс происходит при более низкой температуре (850—870° С вместо 930—960° С); глубина слоя меньше; меньше деформации и коробления изделий; выше сопротивление износу и коррозии.
Нитроцементация по сравнению с жидкостным цианированием (табл. 182), в свою очередь, имеет ряд преимуществ: не нужйо применять ядовитые соли, можно регулировать содержание углерода в слое,
360
Черные металлы и сплавы
182. Состав ванн и режимы высокотемпературного цианирования конструкционной стали
Состав ванны Температура, °C Продолжительность процесса, ч Глубина слоя, мм Примечание
50% NaCN, 50% NaCl (20—25% NaCN, 25-50% NaCl, 25-50% Na2CO9) 840 840 870 870 0,5 1,0 0,5 1,0 0,15— 0,2 0,2— 0,25 0,2— 0,25 0,25— 0,35 После цианирования непосредственно из ванны производят закалку, а затем дают отпуск при 180— 200* С. Содержание азота в цианированном слое 0,8—1,2% и углерода 0,6— 0,7%. Твердость слоя HRC 59—62
10% NaCN, 40% NaCl, 50% BaClt (8—12% NaCN, 30— 55% NaCl, <10% NatCO8, < 15% BaClt)** 840 900 900 900 1,0— 1,5 1,0 2,0 4,0 0,25— 0,3 0,5—0,5 0,7—0,8 1,0—1,2 Детали после цианирования охлаждают на воздухе, а затем закаливают с нагревом в соляной ванне или печи и подвергают отпуску при 180—200® С. Содержание азота в слое 0,2—0,3% и углерода 0,8— 1,2%. Твердость на поверхности HRC 58—64
8% NaCN, 10% NaCl, 82% BaCl, (3— 8% NaCN, >30% BaClj, >30% NaCl, >40% BaCO8) ** 900 900 950 950 950 0,5 1,5 2,0 3,0 5,5 0,2— 0,25 0,5—0,8 0,8—1,1 1,0—1,2 1,4—1,6 То же
* В скобках дан рабочий состав ванн. * * В процессе эксплуатации активность ванн снижается. Поэтому ванны периодически освежают добавлением цианистого натрия (90—95% NaCN). Освежение высокотемпературных ванн производится цианистым натрием и хлористым барием (1 с 4).
обрабатывать детали средних и крупных размеров, использовать более производительное технологическое оборудование и его механизацию.
Однако при применении нитроцементации вместо цементации (цианирования) для получения высоких механических свойств необходимо учитывать особенности процесса, чтобы избежать формирование дефектных структур в нитроцементованном слое и ухудшения механических свойств.
Высокотемпературное цианирование (азотонауглероживание)
Под высокотемпературным цианированием понимают химико-термическую обработку, заключающуюся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при тем
Химико-термическая обработка стали
361
пературе, как правило, 800—950° С в расплаве, содержащем цианистые соли (см. табл. 182).
Высокотемпературное цианирование применяют для изделий из низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей (35, 40, 35Х, 40Х и т. д.).
Цианирование применяют для повышения поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости при изгибе и контактной выносливости. Структура после цианирования аналогична той, которая образуется при высокотемпературной нитроцементации. С повышением температуры содержание азота в слое понижается, а содержание углерода возрастает, и по своим свойствам слой приближается к цементованному.
После цианирования нередко в упрочненном слое можно наблюдать неблагоприятное распределение остаточных напряжений, что уменьшает предел выносливости. Поэтому целесообразно после термической обработки производить поверхностный наклеп (например, дробеструйный). Дробеструйный наклеп изменяет эпюру напряжений и значительно повышает предел выносливости.
Достоинство высокотемпературного цианирования—небольшая продолжительность процесса (см. табл. 182), малые деформации и коробления сложных деталей и высокое сопротивление износу и коррозии.
Недостатки цианирования — трудность выдерживания постоянного состава ванны, большие потери тепла вследствие излучения поверхности ванны, токсичность и высокая стоимость применяемых солей.
Работа с ядовитыми солями, их транспортировка, хранение, загрузка ванны, нейтрализация солей и т. д. требуют особых мер предосторожности, что стало основной причиной сравнительно небольшого распространения ’этого процесса в промышленности.
Борирование
Борированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагревании в соответствующей среде (табл. 183).
Борирование применяют для повышения износостойкости изделий, в том числе работающих при повышенных температурах или в агрессивных средах. Борированный слой обладает высокой твердостью, износостойкостью (главным образом, абразивной), коррозионной стойкостью (кислотостойкостью) *, окали нестойкостью (до 800° С) и теплостойкостью. Борированию могут быть подвергнуты любые стали.
Борированный слой имеет характерное «игольчатое» строение и состоит из боридов FeB (на поверхности) и Fe2B. Под слоем боридов располагается переходный слой, состоящий из а-раствора бора в железе. На легированных сталях под слоем сплошных боридов образуется зона а-раствора, боридов железа и легирующих элементов.
Борирование применяют для повышения износостойкости втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобуры, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин для литья под давлением и т. д. Стойкость указанных деталей после борирования возрастает в 2—10 раз.
* За исключением азотной кислоты.
362
Черные металлы и сплавы
183. Методы борирования стали
Насыщающая среда (боризатор) Температура, Время, ч Глубина слоя, мм Примечание
Борирование в порошкообразных смесях
Порошки аморфного бора, карбида бора или ферробора 4- 30—40% глинозема 4* 1«-3% NH4C1 950— 1050 3—6 0,1 —0,3 Изделия помещают в ящики, заполненные боризатором. Применяют борирование порошками в среде водорода и вакууме
Электролизное борирование
Расплавленная бура (NatB4O7) Расплавленная бура 4- 40—60% борного ангидрида 900— 950 900— 950 2—6 2—4 0,1—0,4 0,15— 0,35 Плотность тока на катоде (деталь) 0,15— 0,2 А/см* (анод — графитовый стержень), напряжение 6—24 В. При введении в буру 50-60% В2О> или 30% Na2SiO2 скорость насыщения возрастает. Для повышения жидкотекучести к буре добавляют 10—15% NaCI. Рекомендуется для деталей простой формы
Жидкостное борирование
Расплавленная бура 4- 30—40% карбида бора (В4С) или ферробора Расплавленные соли (50% BaClf 4- 50% NaCI) 4- Ю% В4С или 20% ферробора 950— 1000 3—5 0,15— 0,4 Рекомендуется для деталей сложной формы
900— 1000 1 — 3 0,05— 0,25
Газовое борирование
Диборан (В2Н2), разбавленный водородом (от 1 : 25 до 1 : 150) Треххлористый бор, разбавленный водородом (ВС1а ; Н2 = 0,05) 800— 850 750— 950 2—4 3—6 0,05— 0,2 0,05— 0,25 Позволяет проводить процесс при низких температурах (500—550® С). Недостаток — токсичность и взрывоопасность газов
* Повышение температуры борирования выше 950® С увеличивает хрупкость слоя. При работе борированных деталей в условиях больших удельных нагрузок для упрочнения сердцевины производят непосредственную закалку из ванны для борирования, лучше ступенчатую или изотермическую.
Химико-термическая обработка стали
363
После борирования нередко производят закалку и отпуск для упрочнения сердцевины.
Во избежание образования трещин в диффузионном слое рекомендуется изотермическая закалка.
Диффузионное насыщение стали металлами
Диффузионным насыщением металлами называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали металлами для изменения его состава и структуры. Поверхностное насыщение стали металлами, а также таким элементом, как кремний, можно осуществлять при температуре 900— 1050° С упаковкой изделия в порошкообразные смеси (обычно ферросплавы и 0,5—5% Н4С1), погружением в расплавленный металл, если диффундирующий элемент имеет невысокую температуру плавления (например, цинк, алюминий), или насыщением из газовой среды. При газовом методе используют летучие хлористые соединения металлов (А1С13 СгС12, SiCl4 и т. д.), образующиеся при действии хлора (или хлористого водорода) на металлы или их сплавы с железом при высоких температурах.
Между хлоридами и железом происходит обменная реакция, в результате которой образуется диффундирующий элемент в атомарном виде, который адсорбируется поверхностью и диффундирует в решетку железа (МеС1х + Fe -> FeClx + Me).
Насыщение поверхности изделия двумя и большим количеством компонентов (например, В и А1, В и Si, Si и V, Сг и V, Сг и А1, Сг и Si, Al и Si и т. д.) позволяет в большой мере изменять свойства поверхностных слоев.
Однако многокомпонентное насыщение не получило еще промышленного применения.
Алитирование (алюминирование)
Алитированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали алюминием, как правило, при температуре 700—1100° С в соответствующей среде (табл. 184). Алитированный слой чаще представляет твердый раствор алюминия в a-железе. На поверхности возможно образование интерметаллидных фаз Fe3Al, FeAl, FeAl2 и Fe2Al6. Увеличение содержания в стали углерода и легирующих элементов тормозит диффузию алюминия.
В результате алитирования сталь приобретает высокую окалино-стойкость (до 850—900° С), так как в процессе нагрева на поверхности алитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия А12О3, предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде. Твердость алитированного слоя (на поверхности) до HV 500, износостойкость низкая. При высоком содержании алюминия (более 30%) слой хрупок. Тонкие алитированные слои (0,05—0,07 мм), содержащие до 20% А1, хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах.
184. Методы алитирования стали’
Метод алитирования Насыщающая среда Температура, °C Время, ч Глубина слоя, мм Примечание
В порошкообразных смесях а) 49,5% порошка алюми-"ИЯ + 49,5% А1.О, + 1,0% N Н4С1 б) 99% ферроалюминия + + 1,0% NH4C1 в) 48% ферроалюминия 4-+ 48% песка + 4% NH4C1 950—1050 6—12 2 0,25—0,6 Алитирование проводят в железных или нихромовых ящиках. Упаковка — как для цементации. Смесь употребляют многократно с добавкой 10 — 15% свежей смеси
В ваннах с расплавленным алюминием Расплавленный алюминий -f-+ 8—12% Fe (во избежание растворения деталей) 720—750 0,25—1,0 2 0,1-0,3 На поверхности расплава рекомендуется создавать слой флюса (например, 40% NaCl, 40% КС1, 10% Na,AlFe, 10% A1F,) для очистки деталей, лучшего удаления налипшего металла и уменьшения разъедания поверхности деталей я
Металлизация с последующим отжигом На поверхности детали напыляют слой алюминия (0,7— 1,2 мм), на который наносится обмазка (серебристый графит 50%, огнеупорная глина 20%, кварцевый песок 30%, жидкое стекло 10%) 4 900 — 950 2-4 0,2-0,4 Толщина обмазки 0,8— 1,5 мм. Обмазка просушивается при 80—100® С
1 Существуют и другие методы алитирования (электролизное, в аэрозолях, газовое и т. д.), однако они не нашли применения в промышленности. 2 Для снижения содержания алюминия в слое и уменьшения его хрупкости алитированные детали иногда отжигают при 900—1050® С — 4—5 ч. Глубина слоя при этом возрастает на 20—40%. 3 Для устранения налипания расплава применяют обдувку поверхности струей воздуха; встряхивание (вибрацию) деталей в слое флюса; вращение детали в слое флюса. * Иногда в обмазку добавляют 1—2% NH4C1.
Черные металлы и сплавы
Химика-термическая обработка стали
365
Хромирование
Хромированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали хромом, как правило, при температуре 900—1400° С в соответствующей среде (табл. 185).
Хромирование обеспечивает повышенную устойчивость против газовой коррозии (окалиностойкость) до температуры 800° С, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как пресная вода, морская вода, азотная, уксусная и фосфорная кислоты, и эрозионную стойкость при низкой и высокой температурах. Хромирование сталей, содержащих более 0,3—0,4% С, повышает твердость и износостойкость. Хромировать можно любые стали.
Диффузионный слой, получаемый при хромировании технического железа, состоит из раствора хрома ва-железе. Если при хромировании используют NH4C1, на поверхности иногда образуется тонкая пленка нитрида хрома (Cr2N). Слой, получаемый при хромировании стали, состоит из поверхностной зоны карбидов хрома (Сг, Fe)23Ce, (Сг, Fe)7C3. Под карбидным слоем находится переходной слой с высоким содержанием углерода, состоящий из эвтектоида а + (Сг, Fe)7C3. Карбидный слой на поверхности образуется в результате диффузии углерода из внутренних слоев к поверхности навстречу хрому. Углерод обладает большей скоростью диффузии, чем хром, поэтому для образования карбидного слоя используется не весь углерод. Карбидный слой обладает высокой твердостью. Твердость слоя, полученного хромированием железа и низкоуглеродистой стали (08, 10, 15), составляет HV 150—300, а хромированием стали — HV 1200—1300.
Для деталей, работающих в агрессивных средах, хромированный слой должен состоять из a-фазы и иметь глубину 0,1—0,15 мм. Для деталей, работающих в условиях сильного износа и коррозии, рекомендуется карбидный слой глубиной 0,025—0,03 мм.
Для повышения механических свойств сердцевины после хромирования допустима термическая обработка — нормализация или улучшение.
Хромирование применяют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.
Силицирование
Силицированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали кремнием (табл. 186), как правило, при температуре 800—1100° С в соответствующей среде.
У силицированного слоя высокая устойчивость против коррозии в морской воде, в кислотах (HNO3, H2SO4, НС1 и др.) при комнатной и повышенных температурах, повышенная износостойкость (после предварительной проварки в масле при 175—200°), при этом сравнительно низкая твердость (HV 200—250).
Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния ва-железе. При газовом силицировании на поверхности может образоваться слой упорядоченного соединения Fe3Si (а'-фаза), обладающий высокой твердостью (HV 700—800). Содержание кремния в слое чаще 15—20%. Силицированный слой хрупок и нередко порист. В тех
366
Черные металлы и сплавы
185. Методы хромирования стали
Насыщающая среда Температур a , °C Время, ч Глубина слоя, мм * Примечание
Хро 50% феррохрома ** (или хрома) 4- 48-49% а12о3+1-2% NH4C1 (или NH4J, или NH4F, или NH4Br и др.) Порошок хрома, образующий при высокой температуре в вакууме паровую фазу Феррохром Через хром (феррохром) пропу- скают НС1 или НС1 4- Н2, С1. Хромирование идет за счет СгС12 Галогены хрома СгС18 или СгС13 4-4- Н2, или CrF2 и др. (готовые соли) Xl Пористый фарфор или пеношамотный кирпич или глина (5—10 мм), поры которых наполнены хлоридами хрома 4- хром (феррохром) мировани 1000— 1050 Хром 1000— 1100 Г лубокое 1400— 1450 Газ 1000— 1050 1000— 1050 оомирован 1050 е в поре 6—12 ировани 4—12 хромир овое хре 6—12 6—12 ие в к 5—6 >шкообраз> 0,1 — 0,15 (0,01 — 0,03) ie в вакуу 0,05— 0,25 (0,Ol-О.04) ование в 1,5-8 шированш 0,1 — 0,20 (0,02— 0,05) 0,1 — 0,20 (0,02— 0,05) ерамическ 0,1 — 0,12 ных смесях Детали упаковывают в железные (нихромовые) контейнеры (ящики) о двойными крышками, либо трубы. Для повышения герметичности применяют контейнеры с плавкими затворами ме Вакуум 10“*—10“в мм рт. ст. позволяет получить поверхность высокого качества. Недостатки: высокая температура процесса, трудность обработки крупногабаритных изделий вакууме Чаще хромируют слябы,-заготовки труб и проката из ниэкоуглеродистой стали. Перегрев устраняется в процессе нагрева и пластической деформации при получении готовых листов, труб, прутков г Процесс ведут в ретортах, печах с вращающейся ретортой, а также ящиках с двойными крышками или плавкими затворами. Недостаток — взрывоопасность ой массе Непрерывность хромирования обеспечивается проведением процесса в потоке Н2
Химико-термическая обработка стали
367
Продолжение табл. 185
Насыщающая среда Температура,' °C Время, ч Глубина слоя, мм • Примечание
Жидкое хромирование
Расплавленные соли ВаС12, MgCl2, СаС12 и др., к которым добавляют 10—30% СгС1> или феррохром 980 10-15 0,01-» 0,03 Над зеркалом ванны пропускается Н2
* В скобках дана глубина карбидного слоя. * * Применяют низкоуглеродистый феррохром марок ХрОООО, ХрООО, ХрОО, ХрО, XpOl, Хр1. Смесь может быть повторно использована 5 раз.
186. Методы силицирования стали
Насыщающая среда Температура, °C Время, ч Глубина слоя, мм Примечание
Силицирование в порошкообразных Ферросилиций 75% +| 1100—1 6—12 1 0,15—0,8 1 4- шамот 20% (или 1200 А12Оа) 4- NH4C1 5% | 1 | I Газовое силицирование : смесях
При пропускании С1 (НС1) через реакционное пространство с деталями и ферросилицием Си 75 или Си 90 (или карбидом кремния S>iC) 950— 1050 (чаще 980) 2—5 0,4—0,8 Проводят в муфельных печах. Количество S1C (или ферросилиция) — 1/10 массы деталей; давление в печи 30— 50 мм вод. ст.
Смесь SiC14 4“ Н2 * или SiCl4 4- Аг или SiCl4 4- N 950 2—3 0,4—0,6 Наиболее интенсивно процесс идет в среде SiCl4 4- Н2
SiH4 (моносилан) 4-4- Н2 или SiH4 4- Аг 950 2-3 0,4—0,6 Моносилан получают путем диспропорционирования триэтак-сисилана [SiH(OC2H4)s] в присутствии металлического Na
* Водород или с жидким SiCl4. Другой несущий газ пропускают через сосуд
368
Черные металлы и сплавы
случаях, когда диффузионный слой должен обладать антифрикционными свойствами, пористость сохраняют, особенно для систем с постоянной смазкой. Если силицирование проводят для повышения коррозионной стойкости, слой должен быть плотным. Пористость можно устранить спеканием. Для этого изделие быстро нагревают до 1200—1210° С, дают короткую выдержку 10—30 с. Спекание происходит с участием жидкой фазы. При диффузии в сталь кремния он оттесняет углерод с поверхности вглубь. Поэтому под силицированным слоем в среднеуглеродистых сталях образуется высокоуглеродистая зона (0,8—1,0% С). Силицирование рекомендуется для различных деталей машин в химической, бумажной и нефтяной промышленности.
Цинкование
Цинкованием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали цинком, как правило, при температуре 300—550 и 700—1000° С в соответствующей среде. Применяют для повышения коррозионной стойкости в атмосфере, бензине, маслах и горячих газах (300—500° С), содержащих сероводород. Цинковое покрытие нестойко в кислотах и щелочах.
К основным методам цинкования относятся:
горячее цинкование, когда протравленные и промытые изделия через слой флюса погружают в расплавленный цинк (440—480° С) и выдерживают в нем 15—25 с; глубина слоя 0,02—0,03 мм;
цинкование в порошке цинка (75—90% Zn); выполняется в ящиках или в печах с вращающейся ретортой при температуре 350—450° С в течение 1—10 ч, глубина слоя 0,03—0,08 мм;
цинкование в парах цинка производится при 700—1000° С в печи, через которую пропускается водород; для получения паров цинка К печь вводится цинковая пыль в смеси с 20—40% глинозема; глубина слоя 0,15—0,2 мм и более.
В диффузионном слое на самой поверхности может образоваться q-фаза (твердый раствор железа в цинке), далее слой интерметаллидных фаз FeZn13, FeZn7, Fe3Zn10 и, наконец, твердый раствор цинка в железе.
Для повышения коррозионной стойкости различных изделий (листы, трубы, проволока, различная посуда, аппаратура для получения спиртов, холодильников, газовых компрессоров и т. д.) чаще применяют цинкование путем погружения в расплав цинка.
ЧУГУН
Классификация
Чугун — это многокомпонентный, железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 2%, претерпевающий эвтектическое превращение. Чугун — наиболее распространенный материал для изготовления отливок благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне.
Область применения чугуна расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических свойств, а также
Чугун
369
187. Виды чугунных отливок и область их применения
Виды отливок Назначение отливок и условия их применения
Из обычного серого чугуна Определяющий фактор — механические свойства) при ов до 24 кгс/мм2 отливки изготовляют из простых чугунов, при ов более 24 кгс/мм2 применяют модифицирование, легирование и их сочетание
Из высокопрочного чугуна Как конструкционный материал с высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью (иногда вместо стали). Могут обладать и специальными свойствами. Структуру получают путем введения специальных модификаторов (MgZr) в жидкий чугун
Из чугуна со специальными свойствами При необходимости обеспечить деталям свойства жаростойкости, ростостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости, немагнитности и др.
Из ковкого чугуна Для изготовления деталей машин, требующих высокой прочности и пластичности. Получение структуры основано на специальном отжиге отливок, имеющих в литом состоянии структуру белого чугуна
Из белого чугуна Для отливок, не требующих механической обработки и работающих в условиях абразивного износа при сухом трении, и как исходный материал при получении ковкого чугуна
Из отбеленного чугуна Для отливок, работающих на износ аналогично белому чугуну. Отбеленный слой расположен лишь на рабочей поверхности отливки
370
Черные металлы и сплавы
188. Примерный состав, свойства и назначение отливок из
Чугун Примерный химический состав, %
С Si Мп Р 1 s 1 Сг | N1
Не более
СЧ 00 3,0—3,5 1,8— 2.4 0,6-1,0 0,6 0.15 0,15 0,5 >
СЧ 12-28 3,3—3,6 2,2—2,5 0,6—1,0 0,4 0.15 0,15 0,5
СЧ 15-32 3,2-3,5 2,0—2,4 0,7—1.1 0,4 0,15 0,15 0,5
СЧ 18-36 3,1 —3,4 1,7—2,1 0.8—1,2 0,3 0,15 0,3 0,5
СЧ 21-40 3,0-3,3 1,3-1,7 0,8—1,2 0,3 0,15 0,3 0,5
СЧ 24-44 2,9—3,2 1,2—1.6 0,8—1,2 0,2 0,15 0,3 0,5
СЧ 28-48 2,8—3,1 1,1 —1,5 0,8—1,2 0,2 0,12 0,3 0,5
СЧ 32-52 2,7—3,0 1.1 —1,5 0,8—1,2 0,2 0,12 0.3 0,5
СЧ 36-56 2,6—2,9 1.1 —1.5 1,3—1,8 1,0—1.4 0,8—1,2 0,2 0,12 0,3 0,5 0,5
СЧ 40-60 2.5-2,8 1,1 —1,3 1,3—1,8 1,0-1,4 0,8-1,2 0,02 0,02 0,3 0.5 0,5
СЧ 44-64 2,5—2,7 2,5—2.9 0,2—0,4 0,02 0,02 0,3 0,3 0,5
* Нормы по о сж в ГОСТ не установлены: эти нормы приблизительны.
Чугун
371
сероге чугуна с пластинчатым графитам (ГОСТ 1412—70)
Характеристика механических свойств ♦ Примечание
"в* кгс/мм2 аи’ кгс/мм’ f-600/300, мм асж* кгс/мм2 НВ
— — — — Неответственное литье. Требования к механическим свойствам не обусловлены
12 28 6/2 50 143 — 229 Малоответственное литье с толщиной стенок до 15 мм; неответственное литье с массивными стенками
15 32 8/2,5 56 163—229 Малоответственное литье с толщиной стенок 10—30 мм. Невысокие требования к износостойкости
18 36 8/2,5 70 170—229 Ответственное литье с толщиной стенок 10—20 мм
21 40 9/3 75 170—241 Ответственное литье с толщиной стенок 10—30 мм; менее ответственное литье при большей толщине стенок
24 44 9/3 85 170—241 Ответственное литье с толщиной стенок 20—40 мм
28 48 9/3 100 170-241 Ответственное сложное литье с толщиной стенок 20—60 мм
32 52 9/3 110 187-255 Ответственное высо-конагруженное литье с толщиной стенок 20—100 мм
38 56 9/3 120 197—269
40 60 10/3,5 130 207—269 Наиболее ответ- ственное тяжелонагру-женное литье с массивными стенками
44 64 10/3,5 140 229—289
189. Рекомендуемые предел прочности и твердость некоторых марок серого чугуна при различной толщине стенки отливок
Чугун Предел прочности при растяжении и изгибе (кгс/мм’)и твердость НВ при толщине стенок отливок, мм
10 20 30 40 50 60 70 80 100
СЧ 15-32 22—52 19—46 15-32 14 — 32 12—28 11 — 26 10 — 23 9—22 7—20
207—250 190—217 163 — 229 146—190 — 130—180 120—170 110—160 —
СЧ 18-36 2б-55_ 23—49 18—36 16—35 14-35 13—28 12 — 26 11 — 24 9—22
207—248 194 — 228 191—212 183-188 — 156—183 — — —
СЧ 21-40 28—59 25 — 32 21—40 19—39 17—35 16—33 15 — 30 13 — 28 11—24
255 234 207—235 197 — 212 — 176—207 — — —
СЧ 24-44 32 — 61 28—55 24—44 22—44 20—40 19—37 18—34 17—32 15 — 30
269 248 241 197 — 228 — — — — —
СЧ 28-48 X 32 — 58 28—48 27—48 24 — 44 23—41 21 — 39 20-37 18—33
269 269 248 — — — — —
СЧ 32-52 X 34 — 60 32 — 52 30 — 52 28—48 26—46 24 — 43 24 — 41 20 — 38
।— — — — — — — —
СЧ 36-56 X X 36—56 32 — 54 29 — 50 28—47 26 — 44 24 — 42 20—38
269 1— — — —
Примечания: 1. «Х> означает, что чугун отбелен. 2. Цифры в графах механических характеристик означают: над чертой первое число — ов, кгс/мм’; второе число — ои, кгс/мм8; под чертой — НВ.
Черные металлы и сплавы
Чугун
373
разработки новых марок со специальными физическими и химическими свойствами.
Обычно чугуны подразделяют на белые и серые.
Белые чугуны характеризуются наличием углерода преимущественно в связанной форме в виде цементита (Fe3C), серые чугуны — наличием углерода преимущественно в виде графитовых включений различного размера и формы.
Белые чугуны отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатываются резанием.
У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, и они чаще всего применяются как конструкционный материал. К серым чугунам относят также модифицированные и высокопрочные чугуны. Серые чугуны по химическому составу разделяют на обычные и легированные.
Виды чугунных отливок и области их применения приведены в табл. 187.
Свойства чугуна определяются структурой основной металлической массы, формой, количеством и расположением графитовых включений. Классификация структур чугунных отливок перлитно-феррит-ного класса по перлиту, графиту и фосфидной эвтектике регламентирована ГОСТ 3443—57.
Механические свойства
Механические свойства различных марок чугуна с пластинчатым графитом, их состав и назначение приведены в табл. 188.
С увеличением толщины (сечения) отливок их прочность снижается. Показатели прочностных свойств при различных сечениях приведены в табл. 189.
Химический состав отливок из серого чугуна машиностроительного производства, получаемых в металлических формах, приведен в табл. 190.
Марки высокопрочных чугунов,< их механические характеристики и химический состав приведены в табл. 191 и 192.
Марки отливок из ковкого чугуна, их механические характеристики и химический состав приведены в табл. 193.
Жаростойкость и жаропрочность
Чугунные отливки, работающие при повышенных температурах, особенно при повторно-переменном их воздействии, подвержены окислению, росту, у них могут ухудшаться физико-механические свойства.
Если образующаяся при этом окалина представляет собой плотную пассивирующую пленку, не подвергающуюся растрескиванию, то последняя изолирует металл от газовой среды и предохраняет его от дальнейшей коррозии. Такая пленка, обеспечивающая жаростойкость чугуна, образуется при его легировании хромом, кремнием, алюминием.
В условиях высоких температур кроме обычной коррозии (окисления) наблюдается еще рост чугуна — необратимое увеличение объема, возрастающее с повышением температуры и продолжительности ее воздействия.
374
Черные металлы и сплавы
190. Примерный химический состав (%) чугунных отливок для машиностроения, получаемых в металлических формах
Чугун Толщина стенки отливки,-мм С Si Мп S Р
Не более
СЧ 12-28 8—50 50—100 3,2 —3,6 3,2 —3,6 2,5—3,0 2,2 —2,5 0,3 —0,6 0,3—0,6 0,1 0,12 0,5 0,5
СЧ 15-32 8—50 50—100 3,2—3,6 3.2 —3,6 2,4—2,8 2,0—2,4 0,3—0,6 0,3—0,6 0,1 0,12 0,4 0,3
СЧ 18-36 12—40 40—100 3,2—3,5 3,2-3,5 2,2—2,5 3,2 —3,5 0,5—0,8 0,5 —0,8 0,1 0,1 0,3 0,3
СЧ 21-40 15—40 40—100 3,1 —3,4 3,1 —3,4 2,0—2,1 1,7—2,1 0,6—0,9 0.6—0,9 0,1 0,1 0,3 0,3
СЧ 24-44 15—50 50-100 3,0 —3,3 2,0 —3,3 2,0—2,1 1,6—1,9 0,7—1,0 0,7—1.0 0,1 0,1 0,2 0,2
Примечание. Толщина стенки отливки (из числа непосредственно соприкасающихся с кокилем) принимается минимальной с учетом припуска на механическую обработку.
191. Характеристики механических свойств отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ГОСТ 7293—70)
Чугун ав> кгс/мм* <4* кгс/мм* в,. % flHf кгс «м/см* НВ
Не менее
ВЧ 38-17 38 24 17 6.0 140—170
ВЧ 42-12 42 28 12 4,0 140—200
ВЧ 45-5 45 33 5 3,0 160—220
ВЧ 50-2 50 38 2 2.0 180—260
ВЧ 60-2 60 40 2 2,0 200—280
ВЧ 70-3 70 40 3 3,0 229-275
ВЧ 80-3 80 50 3 2,0 220—300
ВЧ 100-4 100 70 4 3,0 302-369
ВЧ 120-4 120 90 4 3,0 , Ь 302 — 369
Чугун
375
192. Химический состав (%) отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (до модифицирования)
Чугун с 1 1 S1
Толщина стенки отливки, мм
до 30 более 30 до 50 более 50 до 100 более 100 До 10 более 10 до 30
ВЧ 38-17 ВЧ 42-12 ВЧ 45-5 ВЧ 50-2 ВЧ 60-2 ВЧ 70-3 ВЧ 80-3 ВЧ 100-4 ВЧ 120-4 3,3—3,6 3,3—3,6 3,3—3,6 3,3—3,6 3,3—3,6 3,2—3,6 3,2—3,6 3,2—3.6 3,3—3,6 3,3—3,6 3,3-3,6 3,3 —3,6 3,3—3,6 3,2—3,6 3,0 —3,3 3,0—3,3 3,0—3,3 3,0—3,3 3,0 —3,3 3,2—3,6 2,7 —3,2 2,7—3,2 2,7 —3,2 2,7—3,2 2,7 —3,2 2,4—2,7 2,4 —2,7 2,4—2,7 2,4 —2,7 2,4 —2,8 2,6—2,9 3,4—3,8 3,4 —3,8 1,9 —2,2 1,9—2,2 1,9—2,2 1,9—2,2 2,4—2,8 2,6—2,8 3,4—3,8 3,4—3,8
Чугун Si Мп р 1 S Легирующие элементы
Толщина стенки отливки, мм Не более
более 30 до 50 более 50 до 100 более 100
ВЧ 38-17 ВЧ 42-12 ВЧ 45-5 ВЧ 50-2 ВЧ 60-2 ВЧ 70-3 ВЧ 80-3 ВЧ 100-4 ВЧ 120-4 1,6—1,9 1,6—1,9 1,6—1,9 . 1,6—1,9 2,2—2,6 2,6—2,9 1,3—1,7 1,3—1,7 1,3—1,7 1,3—1,7 2,2—2,6 2,6—2,9 0,8—1,5 0,5—1,5 0,5—1,5 0,8—1,5 0,5 —0.6 0,5-0,6 0,5—0,6 0,5 —0,8 0,4—0,7 0,6—0.7 0,6—0,9 0,6—0,9 0,6—0,9 0,1 0,1 0,1 0,15 0,12 0,1 До 0,1 До 0,1 До 0,1 0,1 0,1 0,1 0,14 0,12 0,12 0,01 0,01 0,01 •— Сг 0,1 Сг 0,1, Си 0,25—0,4 Сг 0,1 Сг 0,1, Ni 0,2—0,8
193. Отливки из ковкого чугуна
ав’ кгс/мм2 б, % Примерный химический состав, %
Чугун НВ не более С S1 Мп Р S Сг
не менее Не более
КЧ 30-6 КЧ 33-8 КЧ 35-10 КЧ 37-12 30 33 35 37 6 8 10 12 163 163 163 163 2,7—3,1 2,5—2,9 2,4—2,8 2,2—2,5 0,7—1,1 0,8—1,2 0,9—1,4 1,0-1,5 0,3—0,6 0,3—0,6 0,3—0,5 0,3—0,5 0,18 0,12 0,08 0,08 0,06 0,06
КЧ 45-6 КЧ 50-4 КЧ 56-4 КЧ 60-3 КЧ 63-2 * С с 45 50 56 60 63 огласия заказч 6* 4 4 3 2 1ика допускает 241 241 269 269 269 ся до 3%. 2,3—3,1 0,7—1,5 0,3—1,0 0,18 0,12 0,2
Черные металлы и сплавы
194. Отливки из жаростойкого чугуна (ГОСТ 7769—63)
Чугун Марка Химический состав, % Характеристика механических свойств при 20° С
6 Si Мп Р S Сг А1 ав' кгс/мм* аи’ кгс/мм2 НВ
Хромистый ЖЧХ-0,8 3,0—3,9 1,5—2,5 <1,0 <0,3 <0,12 0,5-1,0 18 36 207—286
ЖЧХ-1,5 3,0—3,9 1,7—2,7 <1,0 <0,3 0,12 1,1 —1,9 — 15 32 207—286
ЖЧХ-2,5 3,0—3,9 2,8—3,8 <1,0 <0,3 <0,12 2,0—2,7 __ 32 228—364
жчх-зо 2,4—3,0 1,0 —2,0 <0,7 <0,1 <0,08 28—32 — 30 50 370—550
Кремнистый с пластинчатым графитом ЖЧС-5,5 2,4—3,2 5,0-6,0 0,5-1,2 <0,3 <0,12 0,5—0,9 — 10 24 140—255
Кремнистый с шаровидным графитом ЖЧСШ-5,5 2,5-3,5 5,0—6,0 <0,7 <0,2 <0,03 <0,2 22 — 228—321
Алюминиевый с пластинчатым графитом ЖЧЮ-22 1,6—2,5 1,0—2,0 0,4-0,8 <0,2 <0,08 19—25 9 22 140—286
Алюминиевый с шаровидным графитом ЖЧЮШ-22 1,6—2,5 1,0—2,0 0,4 —0,8 <0,2 <0,05 *— 19-25 25 35 241—375
Чугун
378
Черные металлы и сплавы
Рост чугуна — результат окисления железа и его примесей по всему объему отливки вследствие проникновения газов в толщу чугуна. Так как окисли располагаются главным образом по границам графитовых включений, то на ростоустойчивость чугуна в значительной степени влияет характер выделений графита.
Уменьшение количества и размеров графитовых включений повышает сопротивление чугуна росту.
Химический состав, механические свойства и примерное назначение жаростойкого чугуна разных марок см. ГОСТ 7769—63.
В табл. 194 и 195 приведены некоторые данные, характеризующие жаростойкие чугуны.
195. Показатели некоторых свойств жаростойкого чугуна
Чугун Предельная температура эксплуатации в воздушной среде (не более), °C ов, кгс/мм2 (кратковременные испытания) Показатель окалино-образования# г(м2-ч) Показатель роста, %
при 500° С при 900° С при 500° С при 900° С при 500° С при 900° С
ЖЧХ-0,8 550 20 3 0,2 15,0 0,05 1.5
ЖЧХ-1,5 600 20 3 0,2 15,0 1.0
ЖЧХ-2,5 650 17 3 0,15 15,0 0,75
жчх-зо 1000 40 15 ►— 0,2 *—
ЖЧС-5,5 800 12 2 10,0 — 0,5
ЖЧСЩ-5,5 900 45 4 — 0,2 0,2
ЖЧЮ-22 1000 10 4 — 0,1 при 1100е С 0,05 при 1100° С
ЖЧЮШ-22 1100 25 14 0,05 при 1100е С
Жаропрочность чугуна — свойство, аналогичное жаростойкости, является функцией химического состава, структуры металлической массы, формы и размеров графитовых включений.
, Химический состав, прочностные свойства и назначение жаропрочного чугуна, предназначенного для эксплуатации при температурах до 60(г С, см. ГОСТ 11849—66.
Сведения об отливках из жаропрочного чугуна приведены в табл. 196, 197, 198.
196. Отливки из жаропрочного чугуна (ГОСТ 11849—66)
Наименование Чугун Химический состав, % Характеристика механических свойств при 20° С
С S1 Мп Р S Сг Ni кгс/мм2 б, % НВ
Не е юлее Не мен ее
Жаропрочный ЧН19ХЗШ 2,5—3,0 1,8—2,5 1,0—1,6 0,05 0,03 2,5—3,5 17 — 20 40 5 120-255
Высоколегированный ЧН11Г7Х2Ш 2,5 —3,0 1,8—2,5 5,0—8,0 0,05 0,03 1,0—2,5 10—12 40 4 120 — 255
Примечание. В обозначениях марок чугуна буква Ч означает чугун, остальные буквы — легирующие элементы; Ш указывает, что графит имеет шаровидную форму. Цифра за буквой указывает содержание соответствующего легирующего элемента.
Чугун
380
Черные металлы и сплавы
197. Примерные области применения жаропрочных чугунов
Чугун Назначение и условия эксплуатации Характерные детали
ЧН19ХЗШ ЧН11Г7Х2Ш Для деталей, работаю* щих под нагрузкой при повышенных температурах (до 600® С), а также для деталей с высокой коррозионной и эрозионной стойкостью в щелочах, слабых растворах кислот, серных кислотах любой концентрации до 50® С, в морской воде, в среде перегретого водяного пара Выпускные «коллекторы, клапанные направляющие, корпусы турбонагревателей и газовых турбин, головки поршней, корпусы насосов, вентили и немагнитные детали, вставки гильз цилиндров, седла и направляющие втулки клапанов, выхлопные коллекторы двигателей внутреннего сгорания, клиновые задвижки в нефтеперерабатывающей промышленности, химической промышленности, арматуро-строении
198. Характеристики свойств жаропрочного чугуна при 600® С
Чугун Длительная прочность Скорость ползучести, %/ч (не более) при напряжении 4 кгс/мм2 Кратковременные испытания Е, кгс/мм2 1
Напряжение, кгс/мм2 Время до разрушения образца, ч ав, кгс/мм2 ат, кгс/мм2 <о Н’ кгс-м/см2
не менее
ЧН19ХЗШ ЧН11Г7Х2Ш 12 12 1000 1000 1,0-10“* 1,8-10“* 25 30 18 18 2 10 2,0 2,0 11 000 12 000
Химические свойства
Антикоррозионные свойства. Коррозионная стойкость чугуна определяется его химическим составом и структурой.
Легирование, модифицирование, сфероидизация графитовых включений способствуют повышению коррозионной стойкости чугуна. Коррозия характеризуется потерей массы в г/м2 *ч или уменьшением толщины в мм/год. Зависимость между этими показателями коррозии следующая: 1 г/м2-ч = 1,22 мм/год.
Химическая стойкость определяется по десятибалльной системе (табл. 199).
Данные о скорости коррозии чугунов в различных средах приведены в табл. 200.
Состав и свойства коррозионностойких чугунов см. ГОСТ 11849—66.
Данные о коррозионностойких чугунах приведены в табл. 201, 202.
Чугун
381
199. Десятибалльная система для оценки химической стойкости чугуна
Балл 0 1 2 8 4
Характеристика Совершенно стойкие Весьма стойкие Стойкие
Коррозия, мм/год <0,001 0,001 — 0,005 0,005 — 0,01 0,Ol-О.05 0,05-0,1
Балл 5 6 7 8 9
Характеристика Пониженно-стойкие Малостойкие Нестойкие
Коррозия, мм/год 0,1—0,5 0,5—1,0 5,0—10,0 10,0
200. Скорость коррозии чугуна в некоторых средах
Чугун Среда Пок азате. 31 г/м2-ч пи корро-ии мм/год
Серый Кремнистый Хромоникелевый Вода водопроводная (t « = 20е С) 0,3 0,005 0,024 0,34 0,005 0,026
Серый Кремнистый Хромоникелевый Морская вода 0,06 <0,1 0,01 0,07 0,1 0,012
Серый Кремнистый Хромоникелевый Азотная кислота (5—67%) То же Азотная кислота (1%, i = = 20е С) Повыи <0,01 2,91 ценные 0,01 3,41
Серый Никелевый Соляная кислота концентрированная 23,0 8,0 28,0 9,6
Серый Никелевый Серная кислота концентрированная 0,5 0,05 0,6 0,06
Серый Никелевый Керосин 0,01 0,01 0,012 0,012
201. Отливки из коррозионностойкого чугуна (ГОСТ 11849—66)
Чугун Марка Химический состав, % Характеристика механических свойств при 20° С
С S1 Мп Р S Сг Ni Мо Си Ti S S о CQ О S ^5 £ S О о"- «О НВ
не более
Коррозионностойкий Низколегированный ЧНХТ ЧН1ХМД ЧН1МШ 2,7— 3,4 2,8— 3,2 3,2 — 3,8 1,4— 2,0 1,6— 2,0 2,4 — 2,8 1,0— 1,6 0,9— 1,2 0,8— 1,2 0,5 0,15 0,1 0,15 0,12 0,03 0,2 — 0,4 0,2 — 0,6 0,1 не более 0,3 — 0,7 0,7— 1,5 0,8— 1,4 0,3-^0,6 0,3 — 0,6 0,2 — 0,5 0,05 — 0,12 24 30 50 44 1,5 201 — 286 201 — 286 183— 286
Высоколегированный ЧН15Д7Х2 ЧН15ДЗХШ 2,5 — 3,0 2,5— 3,0 1,5— 3,0 2,0— 2,5 0,5 — 1,2 1,3— 1,8 0,3 0,1 0,1 0,03 1,5— 3,0 0,2— 0,6 14—17 14—17 — 6,0-8,0 3,0 — 3,5 — 18 35 36 1,5 4 120— 197 120— 255
Примечание. В марках чугуна буква Ч означает чугун, остальные буквы — легирующие элементы, Ш указывает, что графит имеет шаровидную форму. Цифры за каждой буквой указывают содержание легирующего элемента. <
Черные металлы и сплавы
Чугун
383
202. Примерные области применения коррозионностойкого чугуна
Чугун Назначения и условия эксплуатации Характерные детали
ЧНХТ ЧН1ХМД ЧН1МШ ЧН15Д7Х2 ЧН15ДЗХШ Для деталей поршневых двигателей внутреннего сгорания, газомоторных компрессоров и деталей машин целлюлозно-бумажного производства, работающих в условиях повышенного износа, газовых сред и водных растворов Для деталей поршневых машин, двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, работающих в условиях повышенного износа и газовой коррозии (продукты сгорания топлива, технический кислород и т. д.) Для деталей, указанных для предыдущих марок, но с повышенными механическими свойствами и термостойкостью при температуре эксплуатации до 500® С Для деталей с высокой коррозионной и эрозионной стойкостью в щелочах, сла-,бых растворах кислот, серных кислотах любой концентрации до 50° С, в морской воде, в среде перегретых водяных паров (чугуны имеют высокий коэффициент термического расширения, немагнитны при низком содержании хрома) Маслоты для поршневых компрессионных и маслосъемных колец, седла и направляющие втулки клапанов дизелей и газомотокомпрессо-ров. Детали сглаживающих прессов и гарнитура размольных мельниц бумагоделательных машин Блоки и головки цилиндров, выхлопные патрубки двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и турбин. Поршни и гильзы цилиндров паровых машин и крупных тепловозных и судовых дизелей, детали кислородных и газовых компрессоров Крышки и днища цилиндров дизелей, головки поршней, маслоты для поршневых колец Вставки гильз цилиндров, головки поршней, седла и направляющие втулки клапанов, выхлопные коллекторы двигателей внутреннего сгорания. Насосы, вентили, клиновые задвижки в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, а также ар-матуростроении. Немагнитные литые детали
Физические свойства
Антифрикционные свойства. Хорошая износостойкость серого чугуна способствует его использованию в качестве заменителя цветных металлов в узлах трения.
Основными условиями применения антифрикционного чугуна в узлах трения являются качественная смазка, увеличение зазоров по сравнению с цветными сплавами на 15—30%.
Применение антифрикционного чугуна не рекомендуется при ударных нагрузках и недопустимости искрения.
Составы антифрикционных чугунов и их свойства см. ГОСТ 1585—70.
В табл. 203 и 204 оговорены условия применения и состав антифрикционного чугуна.
Плотность. Из-за наличия в чугуне пор его плотность (см. табл. 205) может быть и несколько меньше, а также может колебаться в пределах 10%.
384
Черные металлы и сплавы
203. Назначение и условия применения антифрикционных чугунов
Чугун Условия применения Основная характеристика и назначение
Удельное давление Р, кгс/см8 Окружная скорость V, м/с (не более) ри, кгс «м/см2-с (не более)
АЧС-1 25,0 90,0 5,0 0,2 100,0 18.0 Перлитный серый чугун с пластинчатым графитом, легированный хромом и медью. Предназначен для работы в паре с термически обработанным (закаленным или нормализованным) валом
АЧС-2 90,0 1,0 0,2 3,0 18,0 3,0 Перлитный серый чугун с пластинчатым графитом, легированный хромом, никелем, титаном и медью. Предназначен для работы в паре с термически обработанным (закаленным или нормализованным) валом
АЧС-3 60,0 0,75 45,0 Перлитно-ферритный серый чугун с пластинчатым графитом, легированный титаном и медью. Предназначен для работы в паре с «сырым» (в состоянии поставки) и термически обработанным валом
АЧС-4 До 150 5,0 400 Перлитный серый чугун с пластинчатым графитом, легированный сурьмой. Предназначен для работы в паре с термически обработанным (закаленным или нормализованным) валом
АЧС-5 200,0 300,0 1,0 0,42 200,0 125,0 Аустенитный серый чугун с пластинчатым графитом, легированный марганцем и алюминием. Предназначен для работы в особо нагруженных узлах трения в паре с термически обработанным (закаленным или нормализованным) валом
АЧС-6 До 90 4,0 90,0 Перлитный пористый серый чугун с пластинчатым графитом, легированный свинцом и фосфором. Предназначен для работы в узлах трения с температурой до 300° С в паре с валом без термической обработки
АЧВ-1 10,0 200,0 8,0 1.0 80,0 200,0 Перлитный высокопрочный чугун с шаровидным графитом, предназначенным для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с термически обработанным (закаленным или нормализованным) валом
АЧВ-2 5,0 120,0 5,0 1,0 25,0 120,0 Перлитно-ферритный высокопрочный чугун с шаровидным графитом, предназначенный для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с «сырым» (в состоянии поставки) валом
Чугун
385
Продолжение табл. 203
Условия применения
Чугун Удельное давление Р, кгс/см» Окружная скорость V, м/с (не более) PV, кгс-м/см» с (не более) Основная характеристика и назначение
АЧК-1 200,0 2,0 200,0 Перлитный ковкий чугун с хлопьевидным графитом, легированный медью, предназначенный для работы в паре с термически обработанным валом
АЧК-2 5,0 120,0 5,0 1,0 25,0 120,0 Ферритно-перлитный и перлитно-фер-ритный ковкий чугун с хлопьевидным графитом, предназначенный для работы в паре с сырым валом
Примечания: 1. В таблице приняты следующие обозначения чугуна: АЧ — антифрикционный, С — серый, В — высокопрочный, К — ковкий.
2. Приводимые для некоторых марок чугуна предельные значения для р и v указывают допустимые сочетания значений каждого из этих показателей.
Плотность жидкого чугуна при температуре его плавления равна 7,0+0,1 г/см3 и понижается при увеличении содержания примесей и повышении температуры.
В обычных серых чугунах при повышении прочности обычно наблюдается повышение плотности:
ов, кгс/мм» 14 17 20 23
d, Г/см2 . 6,8—7,1 7,0—7,2 7,2 —7,3 7,25 — 7,4
Ов, кгс/мм» 28 32 38
d, г/см» 7,3—7,4 7,3—7,4 7,4—7,6
Плотность (г/см3) некоторых типов специальных легированных чугунов следующая:
ЖЧС-5,5...................... 6,9-7,2
ЖЧЮ-22; ЖЧЮШ-22 (чугаль) 5,6-6,0
ЖЧХ-30...... 7,3-7,6
ЧН15Д7Х2 (нирезист) 7,4 —7,6
Основные физические свойства чугунов приведены в табл. 205.
Коэффициент теплового расширения чугуна зависит главным образом от его структуры. С Повышением температуры этот коэффициент увеличивается. При охлаждении в процессе перехода аустенита в перлит происходит увеличение объема чугуна. При 100%-ном содержании перлита объем увеличивается до 0,0004 см3/г. При выделении графита объем увеличивается на 0,0025 см3/г, или на 2% на каждый процент выделившегося графита.
Приближенно можно принять, что при затвердевании белого чугуна происходит уменьшение объема на 1,8% (£3 = —0,018), а при 13
204. Химический состав (%) антифрикционного чугуна
Чугун С Si Мп Р S (не более) Сг NI Ti Си Sb Pb А1 — Mg
АЧС-1 3,2-3,6 1,3 —2,0 0,6—1,2 0,15—0,3 0,12 0,2— 0,4 — — 1,5— 2,0 ы — — —
АЧС-2 3,2—3,8 1,4—2,2 0,4—0,7 0,15-0,4 0,12 0,2— 0,4 0,2— 0,4 0,03-ОЛ 0,3— 0,5 PH* — — —
АЧС-3 3,2—3,8 1,7—2,6 0,4 —0,7 0,15 — 0,4 0,12 <0,3 <0,3 0,03— 0,1 — — — —
АЧС-4 3,0—3,5 1,4—2,2 0,6—0,8 <0,3 0,12— 0,2 — — — — 0,25— 0,4 — — —
АЧС-5 3,5—6,0 2,5 —3,5 7,5-12,5* <0,1 0,05 — — — — 0,4 — 0,8 —
АЧС-6 2,2—2,8 3,0—4,0 0,2—0,4 0,5—1,0 0,12 — ai «ч — — 0,5— 1,0 — —
АЧВ-1 2,8—3,5 1,8—2,7 0,5—1,2 <0,2 0,03 — •ч <0,7 — — >0,03
АЧВ-2 2,8—3,5 2,2—2,7 0,5—0,8 <0,2 0,03 — м «мм — — >0,03
АЧК-1 2,3—3,0 0,5—1,0 0,6—1,2 <0,2 0,08 м — чв — — — —
АЧК-2 2,3-3,0 0,8—1,3 0,3—0,6 <0,15 0,12 —ч — 1,0— 1,5 — — — —
Примечание, Содержание Мп в чугуне АЧС-5 обусловливается толщиной стенки и составляет при толщине стенки: до 10 мм — 7,5—8,5%; 10—20 мм — 8,5—9,5%; 20—30 мм — 9,5—10,5%; 30—40 мм — 10,5—11,5%; 40— 60 мм — 11,5— 12,5%.
386 Черные металлы и сплавы
20Б. Физические свойства чугуна при нормальной температуре
Чугун Плотность, г/см3 Коэффициент линейного расширения а при температуре до 100° С Теплоемкость с, кал/(г-°С) Коэффициент теплопроводности X, кал/см-с-град Электросопротивление р, мкОм см Максимальная магнитная проницаемость ц, Гс/Э
Белый 7,4—7,7 (7-11)- 10“’ 0,13 — 0,14 0,07—0,1 50—80 200—250
Серый 6,8—7,4 (10-12)- 10" 3 0,12 — 0,13 0,12 — 0,15 45-120 250 — 600
Ковкий • 7,2—7,4 (10-12)- 10" 3 0,12-0,13 0,12 — 0,17 30 — 55 600—1800
Высокопрочный • . 7,1—7,4 (10—12)- 10"3 0,12 — 0,13 0,08—0,4 50—65 400—1400
Высоколегирован ный 5,5—7,5 (8—30)- 10"3 — 0.Q4 — 0,09 140—220 1 — 200
Чугун
388
Черные металлы и сплавы
кристаллизации серого чугуна объем увеличивается на 0,9% (Р3 = = +0,009).
Коэффициент объемного теплового расширения жидкого чугуна изменяется в пределах от 0,0001 до 0,0003 1/°С; рж = 0,00016 1/°С.
Коэффициенты теплового расширения aJ°°-10e на 1/град для некоторых типов специальных чугунов следующие:
ЖЧС-5,5 12—14
ЖЧЮ-22 16—20
ЖЧХ-30 . , 9—10
ЧН15Д7Х2 . 17—19
Теплоемкость чугуна при температурах, превышающих фазовые превращения в твердом состоянии, и до температур плавления может быть принята равной 0,18 кал/г«°С, а выше точки плавления — 0,23 кал/г-°С. Тепловой эффект при затвердевании равен 55—5 кал/г.
Теплопроводность типового чугуна приведена в табл. 205. Теплопроводность жидкого чугуна равна приближенно 0,04 кал/(см«°С).
Динамическая вязкость при температуре ликвидус составляет для белого чугуна 0,03 дин.с/см2 и для серого чугуна 0,04 (дин-с/см2). При повышении температуры начала затвердевания вязкость увеличивается (см. табл. 206).
Поверхностное натяжение жидкого чугуна составляет 900 — 100 дин/см2, увеличивается с повышением температуры и резко изменяется при наличии неметаллических включений.
Характеристики электрических и магнитных свойств типовых чугунов приведены в табл. 207, 208.
Остаточная индукция для белого и серого чугуна равна 5000 — 1000 Гс.
Чугун может применяться как ферромагнитный (магнитно-мягкий) или при изменении состава как парамагнитный (немагнитный) материал.
207. Характеристики магнитных свойств некоторых материалов
Материал "с> э ^тах» Гс/Э Вч,. Гс Среднее значение магнитной индукции В, (Гс) при И, А/см 4J/^max> Гс Wэрг/см3 за 1 цикл
12,5 25 50 100
Сталь литая 0.2% С . . 0.1 — 1,5—5 800—2400 6 500—10 500 — 14 000 16 000 17 500 20 000 —
Белый чугун . • 13—16 180—200 5 000—5 500 — — — — 13 000 —
Серый чугун: ферритный перлитный • 2,5—3 7—13 600-1500 200—450 3 000—5 500 4 000—7 000 7 500 8 500 6 000 9 600 8 000 11 200 10 000 18 000 17 500 7 000—15 000 30 000
Ковкий чугун сердечный: ферритный перлитный черно- 1,5—2,5 5-11 1500-2300 300-800 5 500—7 000 6 000—7 500 И 000 10 000 12 500 11 500 13 500 12 000 14 000 12 500 18 000 17 500 4 500 — 8 000 10 000—25 000
Высокопрочный ферритный перлитный чугун: 1,5 —2,5 5—11 1600—2400 300—600 3 000—6 000 5 000—8 000 12 700 8 200 14 300 11 800 15 800 14 200 — 19 000 18 500 4 000— 7000 9 000 — 22 000
Чугун
390
Черные металлы и сплавы
В качестве магнитно-твердого материала чугун не применяется из-за малой коэрцитивной силы.
Чугун как магнитно-мягкий материал уступает стали, но имеет и ряд преимуществ по сравнению с ней: его магнитные свойства меньше зависят от напряжений, меньше влияние температуры и сотрясений на его магнитные свойства; чугунным отливкам можно легче придать выгодную для магнитных свойств конфигурацию.
Общая характеристика магнитных свойств различных чугунов приведена в табл. 207.
Большой практический интерес представляет применение немагнитных (парамагнитных) чугунов для изготовления таких деталей, как крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов, стойки для магнитов и др., когда необходимо свести к минимуму потери мощности.
Основные свойства специальных немагнитных чугунов приведены в табл. 208.
Технологические свойства
Усадку разделяют на линейную и объемную. Линейная усадка у^£м~£о.100%, ьо
где LM — размер модели; Lo — размер отливки.
Коэффициенты линейной усадки отливок из различных чугунов приведены в табл. 209.
Коэффициент усадки в значительной степени зависит от процессов графитизации, являющихся функцией химического состава чугуна и температуры.
Для приближенного определения коэффициента линейной усадки чугуна в зависимости от его состава можно применить формулу
t/ = 1,8+ 0,2 (С— 2,5 — Р) + 0,03Мп — 1,2(81 + 20^).
Коэффициент объемной усадки чугуна в 3 раза больше коэффициента линейной усадки.
Жидкотекучесть чугуна характеризует заполнение литейной формы и зависит главным образом от химического состава и температуры заливки.
Такие элементы как С, Si, Р и Си повышают жидкотекучесть доэвтектического чугуна, a S и Сг понижают ее. Влияние Мп и Ni на жидкотекучесть незначительно.
Наилучшей жидкотекучестью обладает чугун эвтектического состава, когда химический состав
с + ^ Si 4-~ Р = 4,3%. О о
С повышением температуры жидкотекучесть чугуна повышается.
Отливки сложной конфигурации и с тонкими стенками требуют повышенной жидкотекучести:
Толщина стенки отливки, мм До 6 6 —15 16—25 Более 25
Требуемая жидкотекучесть, мм 500 = 700 400=500 300—400 200=300
208. Характеристики основных свойств немагнитных чугунов
Чугуны Химический состав, % ав, кгс/мма НВ Электросопротивление р, мкОм см Максимальная магнитная проницаемость цтах, Гс/Э
С Si Мп S р Ni Сг Си А1
Чугуны с пластинчатым графитом
Никелевые (нирезист) . • 2,5— 3,2 1,5— 2,5 0,5— 1,5 До 0,1 До 0,3 14 — 22 До 2 До 8,5 — 15—30 130 — 190 130— 170 1,03— 3,0
Никельмарганцевые (номаг) Марганцевые; Мп—Си 2,7— 3.5 2,0— 3,2 5—10 Д°7 До 0,07 10-5 — •— — 14 — 20 140— 220 130— 150 1,03— 2,5
2,9— 3,8 1,5— 3,2 7—12 До 0,07 До 0,07 — — До 5 До 0,6 14—17 230— 280 130— 160 1,1 — 3,0
Мп—Си—А1 2,8— 3,7 3,5— 4,5 7-16 До 0,07 До 0,07 — — 1,5 — 3,5 2—4,5 14 — 23 150— 220 150— 200 1,1— 3,0
Mn-Al—Si 3,0— 3,6 4,0— 5,0 7—15 До 0,07 До 0,07 — — — 1-5 9—20 170 — 300 160— 200 1,1-3,0
Алюминиевые;
чугаль • • • • • • 1,2— 2,0 1,3— 2,0 0,6— 0,8 До 0,03 До 0,4 — — — 20—24 11 — 17 170— 200 150— 240 1,005 1,008
пирофераль 1,2— 1,4 До 0,5 До 0,5 Чугунь До 0,03 < с шс До 0,4 гровид ным грс 1фито. До 3 м 28—30 9—14 300 — 350 150— 240 1,005 1,008
Никелевые (нирезист) • • • ДоЗ 2—3,2 0,5— 1,5 До 0,2 16-24 До 0,5 До 4 — 32 — 45 130— 180 100 — по 1,02 — 1.1 1,02 — 1,1
Ннкельмарганцевые (номаг) До 3 2-3,2 5—8 До 0,2 7—12 — — — 30—40 140 — 200 100— 110
Алюминиевые:
чугаль 1,6— 2,5 1 — 1,5 0,4 — 0,6 — До 0,2 — — — 19—25 32 — 37 300 — 350 130 — 140 1,005 1,008
пирофераль 1,2— 1,4 До 0,5 До 0,5 — До 0,1 — — — 28—30 20 350 — 450 130 — 140 1,005 1,008
Чугун
392
Черные металлы и сплавы
209. Линейная усадка
Чугун Характер отливки Коэффициент усадки (%) при размерах отливки (мм)
До 500 500-1000 1000— 2000 более 2000
Серый обычный Со свободной усадкой » С затрудненной усадкой 1.0 0,9 0,9 0.8 0,8 0.7 0,7 0,6
Серый высокопрочный Со свободной усадкой С затрудненной усадкой 1.3 1.2 1.2 1.1 1.1 0,9 0,9 0,7
Белый Со свободной усадкой С затрудненной усадкой 1.6 1.5 1.4 1.3 1*3 ы 1.1 0,9
Примечание. Данные относятся к сырым формам. Если применяют сухие формы, то коэффициент усадки на 10—20% меньше табличного.
Обрабатываемость чугуна зависит от многих факторов и в первую очередь от химического состава, структуры, физико-механических свойств.
С этой точки зрения положительное влияние на обрабатываемость оказывает увеличение содержания графита, дисперсности и равномерности распределения структурных составляющих.
Легирующие элементы, как правило, создают равномерные, дисперсные структурные составляющие, и поэтому при одинаковой твердости обрабатываемость легированных чугунов подчас выше, чем у обычных.
Во всех случаях необходимо учитывать отрицательное влияние литейной корки на обрабатываемость.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адаскин А. М., Геллер Ю. А., Кремнев Л. С. Влияние углерода в быстрорежущих сталях. — «Металловедение и термическая обработка металлов». 1970, № 1, с. 52 — 56.
2. Алексеенко М. Ф. Структура и свойства теплостойких конструкционных и нержавеющих сталей. М., Оборонгиз, 1962. 216 с.
3. Бабаков А. А., Приданцев М. В. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. М., «Металлургия», 1971. 319 с.
1968 4195аЛТеР М* Упрочнение *еталеЙ машин. М., «Машиностроение»,
5. Борздыка А. М., Цейтлин В. 3. Термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. М., «Машиностроение», 1964. 248 с.
6. Бримене В. П., Паварас А. Э. Особенности термической обработки стали Х12М. — «Металловедение и термическая обработка металлов», 1968, К° 8, с. 26—30.
7. Влияние способа переплава на качество мартенситно-стареющей высо-иопрочной стали. — «Сталь», 1973, № 8, с. 725. Авт.: Б. С. Ломберг, А А. Покровский, В. В. Топилин, О. К. Ревякина.
8. Габриэлян Д. И. Прецизионные сплавы. М., «Металлургия», 1972. 104 с.
9. Геллер Ю. А. Инструментальные стали. М., «Металлургия», 1975. 588 с.
Список литературы
393
10. Геллер Ю. А., Голубева Е. С. Разгаростойкость штамповых сталей. — «Известия вузов. Черная металлургия», 1964, № 9, с. 148 —153.
11? Геллер Ю. А., Гордезиани А. Г., Кремнев Л. С. Об оптимальном составе вольфрамомолибденовой быстрорежущей ртали. — «Известия вузов. Черная металлургия», 1972, № 7, с. 131 — 135.
12. Геллер Ю. А., Моисеев В. Ф., Арутюнян С. Б. Пути уменьшения деформации инструментов при термической обработке: — «Металловедение и термическая обработка металлов», 1974, № 1, с. 4—9.
13. Геллер Ю. А., Павлова Л. П. Об оптимальном режиме отпуска быстрорежущих сталей. — «Металловедение и термическая обработка», 1967, № 4, с. 43—46.
14. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М.— Л., «Машиностроение», 1966. 562 с.
15. Горбацевич Ю. А., Смольников Е. А., Маркина В. А. Ступенчатая закалка быстрорежущих сталей. — «Станки и инструмент», 1973, № 6, с. 31—33.
16. Гудремон Э. Специальные стали. Т. 1. М., «Металлургия», 1966.
17. Гудремон Э. Специальные стали. Т. 2. М., «Металлургия», 1966.
18. Гуляев А. П. Термическая обработка стали. М., Машгиз, 1960. 496 с.
19. Дубинин Г. Н. Диффузионное хромирование сплавов. М., «Машиностроение», 1964. 451 с.
20. Козловский И. С. Химико-термическая обработка шестерен. М., «Машиностроение», 1970. 232 с.
21. Кремнев Л. С., Геллер Ю. А., Сагадеева Т. Г. Штамповая сталь высокой теплостойкости. — «Сталь», 1970, № 12, с. 1118 — 1121.
22. Ланская К. А. Жаропрочные стали. М., «Металлургия», 1969. 246 с.
23. Лахтин Ю. М. Химико-термическая обработка стали. М., Машгиз, 1959. ПО с.
24. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М., «Машиностроение», 1972.-511 с.
25. Леви Л. И., Кантеник С. К* Литейные сплавы. М., «Высшая школа», 1967. 435 с.
26. Леви Л. И., Мариенбах Л. М. Основы теории металлургических процессов и технология плавки литейных сплавов. М., «Машиностроение», 1970. 495 с.
27. Лившиц Б. Г. Металлография. М., «Металлургия», 1971, с. 244 — 252.
28. Ляхович Л. С., Ворошнин Л. Г. Борирование стали. М., «Металлургия», 1967. 119 с.
29. Марочник стали и сплавов. М., изд. НИИМАШ, 1971. 482 с.
30. Материалы в машиностроении. Справочник в 5-ти т. Т. 2. Под ред. И. В. Кудрявцева. М., «Машиностроение», 1967, с. 9—23.
31. Минкевич А. Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. М., «Машиностроение», 1965. 491 с.
32. Многокомпонентные диффузионные покрытия. Под ред. Л. С. Ляхо-вича. [Сборник хтатей]. /Линек, «Наука и техника», 1974. 286 с.
33. Мовчан Б. А., Тихоновский А. П., Куратов Ю. А. Электронно-лучевая плавка и рафинирование металлов и сплавов. Киев, «Наукова думка», 1973, с. 198—223.
34. Новиков И. И.' Теория термической обработки металлов. М., «Металлургия», 1974. 400 с.
35. Подшипники качения. Справочное пособие. Под ред. Н. А. Спицина и ’ А. И. Спришевского. М., Машгиз, 1961, с. 345, 347, 413.
36. Потак Я. М. Высокопрочные стали. М., «Металлургия», 1972.
37. Постоянные магниты. Справочник. Под ред. Ю. М. Пятина. М., «Энергия», 1971. 363 с.
38. Прецизионные сплавы. Справочник. Под ред. Б. В. Молотилова М., «Металлургия», 1974. 447 с.
39. Производство стали и сплавов в вакуумных печах. М., «Металлургия», 1972, с. 161 — 185. Авт.: Г. Н. Окороков, А. П. Шалимов, В. М. Антипов и др.
40. Рахштадт А. Г. Пружинные стали и сплавы. М., «Металлургия», 1971, с. 278—289.
41. Раузин Я- Р- Термическая обработка хромистой стали, М., Машгиз, 1959, с. 53, 84, 104.
42. Специальные стали и сплавы. Справочник под ред. Ф. Ф. Химушина. Т. 3. М., «Машиностроение», 1968, с. 9—82.
43. Справочник машиностроителя. Под ред. Э. А, Сателя Т. 6. М., «Машиностроение», 1964, 540 с.
44. Справочник металлиста. Под ред. С. С. Чернавского Т. 2, гл. I. М., «Машиностроение», 1969, 1027 с.
394
Черные металлы и сплавы
45. Справочник по металлическим материалам турбомотостроения. Под ред. П. Б. Михайлова-Михеева. М.—Л., «Машиностроение», 1961. 838 с.
46. Стали о пониженным содержанием никеля. Справочник. Под ред. М. В. Приданцева и Г. Л. Лившица. М., Металлургиздат, 1961. 200 с.
47. Твердые сплавы в машиностроении. Справочное пособие. М., Машгиз, 1955. 383 о. Авт.; В. С. Раковский, Ф. Ф. Смирнов, Л. А. Рождественский, И. И. Крюков.
48. Третьяков В. И. Металлокерамические твердые сплавы. Гоо. изд. литературы по черной и цветной металлургии. М., 1962. 592 с.
49. Фариасов В. А.» Фридман А. Г., Кари некий В. Н. Плазменная плавка. М., «Металлургия», 1968. 155 о.
50. Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. Изд. 2-е. М., «Метал* лургия», 1969.
51. Химушин Ф. Ф. Нержавеющие «тали. М., «Металлургия», 1967. 798 с.
52. Чапурова П. Н., Чернявский К. С. Структура спеченных твердых •плавов. М., «Металлургия», 1975. 198 о.
53. Чуйко Н. Мм Мошкевич Е. И., Перевязко А. Г. и др. ТрансГюрма» торная сталь. М., «Металлургия», 1970. 264 с.
54. Шубин Р. п., Приходько В. П. Технология и оборудование термине* «кого цеха. М., «Машиностроение», 1974. 280 о.
Глава 3
ЦВЕТНЫЕ И ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
ПРИПОИ И ПОДШИПНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Припои
Припоем называется металл или сплав, применяемый для соединения деталей пайкой. Температура плавления у припоев должна быть ниже, чем у паяемых материалов.
В зависимости от температуры плавления припои делят на мягкие (с температурой плавления ниже 400° С) и твердые (с температурой плавления выше 400° С).
Основа большинства мягких припоев — олово и свинец. Известны низкотемпературные припои на основе висмута, индия и других легкоплавких металлов с температурой плавления 47—170° С. Чистое олово часто используют в качестве припоя и для облуживания металлических поверхностей. Это объясняется хорошей смачивающей способностью, высокой пластичностью, нетоксичностью и достаточной коррозионной стойкостью олова во многих средах.
В табл. 1 приведены стандартные марки олова.
Характеристики физико-механических свойств олова
Плотность, г/см* ... 7,3 231,9 2270
Температура плавления, °C
Температура кипения, °C
Коэффициент линейного расширения а (20—100° С) 23-10-*
Удельная теплоемкость, кал/(г-°С) 0,0534
Скрытая теплота плавления, кал/г 14,5
Скрытая теплота испарения, кал/г 570
Поверхностное натяжение при 232° С, дин/см 531
Теплопроводность, кал/(см-с-°C) 0,157
Удельное электрическое сопротивление, Ом-мм*/м . . . 0,115
То же, в жидком состоянии Температурный коэффициент электросопротивления а (0—100® С), мкОм-см-°C 0,45
0,00447
Модуль нормальной упругости, кгс/мм2 4200
Модуль сдвига, кгс/мм* 1680
Временное сопротивление разрыву, кгс/мм* 1,6-1,8
Предел текучести, кгс/мм2 . . 1,0
Сопротивление срезу, кгс/мм2 2,0
Ударная вязкость (с надрезом), кгс-м/см* 2-3
Твердость по Бринеллю, кгс/мм* 4,5-6,5
Относительное удлинение, % 55-60
Примечание. Механические свойства приведены для литого состояния.
Оловянно-свинцовые припои. Оловянно-свинцовые сплавы ввиду низкой температуры плавления, высокой пластичности, хорошей смачиваемости металлических поверхностей широко используются в качестве припоев.
1. Химический состав (%) олова (ГОСТ 860—60*)
Олово Sn (не менее) Примеси (не более)
As Fe Си РЬ Bi Sb S Другие Сумма определяемых примесей
ОВЧ-ООО 99,999 Ы(Г‘ Ь 10"* 1-10“" Ь10““ 5-10“ • 5- 10“ » — Zn — 3»10“в; Ga — 5-10“ “ А1 — 3- 10“ 4; Ag — 5» 10”” Au — Ь 10“*; Со — 1-10““ N1 — Ь 10'“ 1 • 10" ’
О» 99,915 0,01 0,009 0,01 0,025 0,01 0,015 0,01 — 0,085
О! 99.90 0,01 0,009 0,01 0,04 0,015 0,015 0,01 — 0,10
02 99,565 0,015 0,02 0,03 0,25 0,05 0,05 0,02 — 0,435
03 98,40 0,05 0,05 0,10 1,0 0,06 \30 0,04 1,60
04 96,35 0,05 0,05 0,10 3,0 0,10 0.30 0,05 3,65
Примечания? 1. Примерное назначение олова различных марок: ОВЧ-ООО — для полупроводниковой техники: О1 п. ч. — для лужения консервной жести; О1 — для лужения жести, изготовления припоя ПОС 90; 02 — для изготовления баббита Б83, припоя ПОС/>1, фольги, лужения кухонной утвари и котлов для варки пищи, накладного олова; ОЗ — для изготовления ПОС 40 и солей: 04 — для изготовления остальных баббитов, припоев в малоояовянистых сплавов.
2. В помещениях, где хранится олово, температура должна быть не ниже 12* G
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Припои и подшипниковые материалы
397
Температура плавления и свойства припоев зависят от их состава (рис. 1, 2, 3).
На свойства припоев оказывает влияние присутствие других элементов. Сурьма — упрочняющая добавка, однако она ухудшает сма-
Рис. 1. Диаграмма состояния системы олово—свинец
Рис. 2. Зависимость характеристик физических свойств сплавов системы олово—свинец от состава
чивающую способность припоев и при содержании свыше 1% снижает их пластичность и ударную вязкость. Мышьяк, начиная с 0,05%, заметно снижает пластичность и ударную вязкость припоев, ухудшает качество паяного соединения. Примеси цинка, кадмия и алюминия,
Рис. 3. Зависимость характеристик
свойств сплавов системы
олово—свинец от состава:
а — при статическом растяжении; б — при испытании на срез, ударную вязкость и твердость
легко окисляясь, ухудшают качество паяного шва. Присутствие их резко снижает коррозионную стойкость припоев в слабокислых и слабощелочных агрессивных средах.
Состав, свойства и назначение оловянно-свинцовых припоев приведены в табл. 2, 3. Пластичность и вязкость оловянно-свинцовых
2. Припои оловянно-свинцовые (ГОСТ 1499—70*)
Припои Химический состав **, % Температура плавления, °C Удельное электри-11 лот- ческое ность, сопротив-г/см ление, Оммм2/м Теплопроводность , кал (смс°С) Примерное назначение
Sn легирующие элементы Солидус Ликвидус
Бессурьмянистые
ПОС 90 89—91 — 183 220 7,6 0,120 0,143 Лужение и пайка внутренних швов пищевой посуды и медицинской аппа-
ПОС 61 60—62 — 183 190 8,5 0,139 0,120 Лужение и пайка электро- и радиоаппаратуры, печатных схем, точных приборов с высокогерметичными швами, где недопустим перегрев
ПОС 40 39—41 — 183 238 9,3 0,159 0,100 Лужение и пайка электроаппаратуры, деталей из оцинкованного железа с герметичными швами
ПОС 10 9—10 268 299 10,8 0,200 0,084 Лужение и пайка контактных поверхностей электрических аппаратов, приборов, реле, заливка и лужение контрольных пробок топок паровозов
ПОС 61М 60—62 Си 1,5—2,0 183 192 8,5 0,143 0,117 Лужение и пайка медной проволоки в кабельной промышленности, электроприборостроении и ювелирной технике
ПОСК 50-18 49—51 Cd 17—19 145 145 М а 8.8 лосурьм 0,133 янистыв * 0,130 Пайка деталей, чувствительных к перегреву, металлизированной керамики, ступенчатая пайка
ПОССу 61-0,5 60-62 — 183 189 8.5 0,140 0,120 Лужение и пайка электроаппаратуры, обмоток электрических машин, оцинкованных радиодеталей при жестких требованиях к температуре
ПОССу 50-0,5 49—51 183 216 8,9 0,149 0,112 Лужение и пайка авиационных радиаторов, пайка пищевой посуды с последующим лужением пищевым оловом
ПОССу 40-0.5 39—41 *- 183 235 9,3 0,169 0,100 Лужение и пайка белой жести, обмоток электрических машин, пайка
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
ПОССу 35-0,5 34-36 — 183 245 9,5 0,172 0,100 0,090 радиаторных трубок, оцинкованных 1 деталей, холодильных агрегатов Лужение и пайка свинцовых кабельных оболочек, электрических изделий неответственного назначения, тонколистовой упаковки
ПОССу 30-0,5 29—31 •— 183 255 9,7 0,179 Лужение и пайка листового цинка, радиаторов
ПОССу 25-0,5 24 — 26 •м* 183 266 10,0 0,182 0,090 Лужение и пайка радиаторов
ПОССу 18-0,5 17—18 183 277 10,2 Сурьмя! 0,198 чистые 0,084 Лужение и пайка трубок теплообменников, электроламп
ПОСу 95-5 94-96 Sb. 4,0—5,0 234 240 7,3 0,145 0,115 Пайка трубопроводов, работающих при повышенных температурах, пайка в электропромышленности
ПОССу 40-2 39—41 1,5-2,0 185 229 9,2 0,172 0,100 Лужение и пайка холодильных установок тонколистовой упаковки. Припой широкого назначения
ПОССу 35-2 34—36 185 243 9,4 0,179 0,090 Пайка свинцовых труб, абразивная пайка
ПОССу 30-2 29—31 — 185 250 9,6 0,182 0,090 Лужение и пайка в холодильном аппаратостроении, электроламповом производстве, абразивная пайка
ПОССу 25-2 24—26 — 185 260 9,8 0,185 0,090
ПОССу 18-2 17—18 I— 186 270 10,1 0,206 0,081 Пайка в автомобилестроении
ПОССу 15-2 14—15 184 275 10,3 0,208 0,080
ПОССу 10-2 9—10 268 285 10,7 0,208 0,080
ПОССу 8-3 7—8 2,0—3.0 240 290 10,5 0,207 0,081 Лужение и пайка в электроламповом производстве
ПОССу 5-1 4-5 0,5—1,0 275 308 11,2 0,200 0,084 Лужение и пайка деталей, работающих при повышенных температурах Пайка белой жести, лужение и пайка деталей с закатанными и клепаными швами из латуни и меди, шпатлевка кузовов автомобилей '
ПОССу 4-6 3—4 5,0—6,0 244 270 10,7 0,208 0,080
* В группе малосурьмянистых припоев содержание ** РЬ — остальное. 1 Sb — 0,2- -0,5%.
Примечание. В припое ПОСу 95-5 допускается примесь РЬ не более 0,07%.
Припои и подшипниковые материалы
8. Характеристики механических свойств оловянно-свинцовых припоев
Припой % кгс/мм" б, % ан> кгс-м/см’ НВ Тср» , кгс/мм’
ПОС 90 4,9 40 4,2 15,4 3,7
ПОС 61 4,3 46 3,9 14,0 3,5
ПОС 40 3,8 52 4,0 12,5 3,4
ПОС 10 3,2 44 3,2 12,5 2,3
ПОС 61М 4,5 40 1,1 14,9 3,5
ПОСК 50-18 4,0 40 4,9 14,0 4,0
ПОССу 61-0,5 4,5 42 3,7 13,5 3,5
ПОССу 50-0,5 3,8 55 4,4 13,2 3,5
ПОССу 40-0,5 4,0 50 4,0 13,0 3.5
ПОССу 35-0,5 3,8 47 3,9 13,3 —
ПОССу 30-0,5 3,6 45 3,9 13,2 —
ПОССу 25-0,5 3,6 45 3,9 13,6 —
ПОССу 18-0,5 3,6 45 3,6 2,6
ПОСу 95-5 4,0 46 5,5 18,0 3,7
ПОССу 40-2 4,3 48 2,8 14,2 4,0
ПОССу 35-2 4,0 40 2,6 — —-
ПОССу 30-2 4,0 40 2,5 —.
ПОССу 25-2 3,8 35 2,4 **
ПОССу 18-2 3,6 35 1,9 3,0
ПОССу 15-2 3,6 35 1,9 12,0
ПОССу 10-2 3,5 30 1,9 —
ПОССу 8-3 4,0 43 1»7 12,8 3,0
ПОССу 5-1 3,3 40 2,8 10,7 2,8
ПОССу 4-5 6,5 15 0,8 17,3 4,3
8
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Припои и подшипниковые материалы
401
припоев, богатых оловом, заметно снижаются при низких температурах (рис. 4).
Серебряные припои отличаются хорошим сочетанием физико-механических свойств — относительно невысокими температурами плавления, повышенными электро- и теплопроводностью, высокими прочностью и пластичностью. Они хорошо смачивают металлические поверхности и заполняют зазоры, обеспечивая прочность, коррозионную стойкость паяных соединений, пригодность для эксплуатации в условиях ударных и вибрационных нагрузок. Эти припои широко Используют для пайки черных и цветных металлов и их сплавов за исключением алюминия и магния.
Рис 4. Зависимость характеристик механических от температуры:
а - а а_, 6 - f (Т); б - т « f (Т); в - - f (Т)
D а Ср п
Состав и свойства стандартных серебряных припоев приведены в табл. 4.
Припои на медной и мед но-нике левой основах. Медь и ее сплавы применяют в качестве припоев для пайки углеродистых и легированных сталей, никеля и его сплавов.
При использовании меди в качестве припоя необходимо брать марки, не содержащие кислорода или содержащие его в минимальном количестве (М00, МО, МОб, М1Р, М2Р по ГОСТ 859—66*), и пайку проводить в восстановительной или защитной газовой среде.
В окислительной среде кислород диффундирует в медь с образованием эвтектики Си + Си2О, что может привести к появлению кристаллизационных трещин и последующему водородному охрупчиванию в процессе отжига паяного изделия в водородосодержащей атмосфере.
Латунные припои склонны к поглощению водорода, что снижает качество паяного шва. Поэтому пайку рекомендуется проводить в окислительной атмосфере, не допуская перегрева. При этом также снижается испарение цинка, что способствует повышению плотности паяного шва. Малые добавки кремния (до 0,2%) заметно уменьшают испарение цинка и пористость паяного шва.
Двойные медно-цинковые припои из-за повышенной хрупкости имеют ограниченное применение. Пластичные припои Л63, Л68 (ГОСТ 15527—70) используют для пайки соединений из меди и стали, работающих на удар и знакопеременную нагрузку.
Более прочные многокомпонентные припои используются для пайки твердосплавного инструмента (табл. 5, 6).
4. Химический состав (%) и свойства серебряных припоев (ГОСТ 8190—56**)
Припой Ag Си Zn р Cd Другие легирующие элементы Темперутура плавления, °C Плотность, г/см3 Удельное электросопротивление, Оммм2/м Теплопроводность, кал/(см-с-°С)
Соли< дуо Ликвидус
ПСр 72 723=0,5 2в+0’6 28^0,7 — *-> — 779 779 9,9 0,022 0,78
ПСр 50 503:0,5 50+0’6 50—0,7 — — — 779 850 9,3 0,025 0,69
ПСр 70 703:0,5 263=0,5 4,03:1,‘О — — — 730 755 9,8 0,042 0,41
ПСр 65 653:0,5 203:0,5 15+1’0 15₽1,5 — — — 693 718 *- — —
ПСр 45 453:0,5 303:0,5 25±^ — — — 660 725 9,1 0,097 0,18
ПСр 25 253:0,3 403:1,0 35>°±2.0 — — •— 745 775 8,7 0,069 0,25
ПСр 12М 123:0,3 523:1,0 зв-;5 — — — 780 825 8,5 0,076 0,22
ПСр 10 103:0,3 533=1,0 з7-о±г:о — — *-* 815 850 8,45 0,065 0,27
ПСр 71 713:0,5 28±?:о — 1,03:0,2 — — 750 795 9,8 0,04 0,43
ПСр 25ф 253:0,5 703:1,0 — 5,03:0,5 — 650 710 8,5 0,18 0,09
и тугоплавкие металлы и сплавы
Припой Ag Си Zn Г Cd Другие легирующие элементы Температура плавления, °C Плотность, г/см’ Удельное - электросо- с противление, > Ом-ммв/м ь М я я Теплопровод- ф ность, Й кал/(смс-°С) g
Солидус Ликвидус
ПСр 15 15±0,5 80,2±1,0 — 4 в+0’2 -0,3 д— 635 810 8,3 0,22 0,08
ПСр 50 КД ПСр 44 50 ±0,5 44±1,0 16,0±1,0 27,0±1,0 16,0±2,0 16,0±2,0 — 18,0± 1,0 8,0±1,0 Ni 2,0±0,5, • Мп 3,0±0,5 635 650 650 800 9,3 8,9 0,072 0,19 0,24 0,09
ПСр 40 40±1,0 16 7 1Ь’7_0,3 ,7-о±ол — 1,0 595 605 8,4 0,10 0,17
ПСр 37,5 37,5±0,5 4 8,8 ±1,0 5,5±0,5 Ni 0,3±0,2, Мп 8,2±0,3 72$ 810 8,9 0,31 0,05
ПСр 62 62±0,5 28± 1,0 — — Sn 10,0±1,5 660 700 9,7 0,22 0,08
ПСр ЗКд 3,0±0,5 — 1,0±0,5 — 96,0±1,0 — 300 325 8,7 0,078 0,22
ПСр 3 3,0±0,3 РЬ 97,0±1,0 — *- — — 300 305 11,3 0,20 0,08
ПСр 2,5 2,5±0,3 РЬ 92,0± 1,0 Sn 5,5±0,5 295 305 11,0 0,22 0,08
ПСр 2 2,0±0,3 РЬ 63,0±1,5 5,0±0,5 Sn 30,0± 1,0 225 235 9,6 0,17 0,10
ПСр 1,5 1,5±0,8 РЬ 83,5± 1,5 Sn 15,0± 1,0 265 270 10,4 0,20 0,08
Припои и подшипниковые материалы
5. Химический состав (%) многокомпонентных припоев
Припой Си Ni Мп Si Fe В Со Sn Al Zn Примечание
ЛОК 62-0,5-0,4 60—63 — — 0,3— 0,4 — — *— 0,4— 0,6 — Остальное
ЛОК 59-1-0,3 58—60 — — 0,2— 0,4 — — — 0,7— 1Л — То же
ЛНМц 68-4-2 67—69 3,5— 4,5 1,5 — 2,5 0,2— 0,3 — — — — —
ЛНКоМц 49-9-0,2-0,2 48—50 8—10 0,1 — 0,2 0,1 — 0,2 0,1 — 0,2 — 0,1 — 0,2 — — Полосы по ТУ 48-21-299—73
ЛМпЖ 57-1.5-0,75 56—58 — 1 — 2 0,1 — 0,2 0,5— 1,0 0,07— 0,15 — — —
ЛНМц 60-9-5 59—61 8—10 4—6 0,03-0,1 — — —
БрАНМп 0,6-4-2 93,7 3,5 1,5—2 0,2 — — *- — 0,6 — Полосы по ТУ 48-08-476—71
БрКоМц 3-10 Остальное — 9—11 — — — 2,5— 3,5 — Р 0,Ol-О.03 — Полосы по ТУ 48-21-297—73
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
6. Характеристики физико-механических свойств припоев для пайки твердосплавного инструмента
Припой Температура плавления, °C Удельное электросопротивление, Оммм2/м Теплопроводность, кал/(смо-°С) ав, кгс/мм2 «о Сопротивление срезу, кгс/мм8 ан, кгс« м/см2 Растекаемость • Назначение
Солидус Ликвидус
ЛНМц 68-4-2 910 930 — 39 37 21 14 2,3 Для пайки средненагружен-ного металлорежущего инструмента
ЛНКоМц 49-9-0,2—0,2 883 917 0,18 0,10 52 35 29 9 1,5 Для пайки бурового инструмента и штампов
ЛНМц 60-9-5 949 995 0,30 0,06 35 г 40 29 И 2,5 Для пайки сильнонагру-женного металлорежущего инструмента
ЛМцЖ-57-1,5-0,75 865 873 0,11 0,16 46 25 21 5 2,2 Для пайки средненагру-женного металлорежущего инструмента, армированного сплавами группы ТК и мало-кобальтовыми
БрАНМц 0,6-4-2 1050 1090' — — 26 39 24 12 1.8 Для пайки сильнонагру-женного металлорежущего инструмента
БрКоМц 3-10 * По твердому < 965 зплаву 1024 ВК8 по 0,37 сравне! 0,05 НИЮ с р 43 >астекае1 32 мость 23 ю латуи 17 [и Л63. 2,1 Для пайки инструмента с высоким нагревом режущей кромки
Припои и подшипниковые материалы
сл
7. Химический состав * (%) и характеристики свойств медно-никелевых припоев
Припой N1 Сг Мп Si Fe Li Другие легирующие элементы Плотность# г/см8 Коэффициент линейного расширения а-10е (20—100° С) Теплопроводность, кал/(смс-°С) Температура пайки, °C
ВПр 1 27—30 — 1,5—2,0 1,5 — В 0,1—0,3 8,68 17,1 0,077 1200
ВПр 2 5 — 6 — 22 — 26 — 0,8—!,2 0,15 — 0,25 — 8,13 19,0 0,031 1000
ВПр 4 ** 28—30 — 28—30 0,8—1,2 1,0—1,5 0,15 — 0,30 В 0,15 — 0,25 8,03 18,8 0,026 1020
КП 19—20 — — 4,5 — 5 5—6 — — — 1000
ГПФ 10-14 — 4,0—5,0 1,0—1,8 12—14 — — — — — 1280
ПЖ45 (81) 32 3 2,5 2 2,5 — — — — 955
ПФК 4—5 — 5—6 3—4 5—7 — Zn 6—8 — — — —
ГФК * Ос ** Пр 9 тальное — >ипой соде Си. ржит А1 2 также 0,01 -0,2% К, 0,05 —0,15°/ '0 Na, 0,1—0, Zn 3 >2% Р. — — — —
Ci
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Припои и подшипниковые материалы
407
В табл. 7 приведены состав и характеристики свойств медно-никеле-вых припоев для пайки коррозионностойких, жаропрочных и быстрорежущих сталей.
Подшипниковые материалы
В качестве подшипниковых материалов наибольшее распространение получили сплавы на оловянной и свинцовой основе (баббигы), медно-свинцовые сплавы, а также сплавы на алюминиевой и цинковой основах.
Оловянные и свинцовые баббиты. К этой группе подшипниковых сплавов относятся оловянные сплавы с сурьмой и медью (Б88 и Б83), свинцовые сплавы с оловом и сурьмой, содержащие добавки никеля, теллура, кадмия и мышьяка (Б 16, Б6 и др.), а также свинцовые сплавы с кальцием и натрием — кальциевые баббиты (табл. 8, 9).
Баббиты отличаются хорошей прирабатываемостью к валу, особенно оловянные. У последних к тому же лучшая теплопроводность и высокая коррозионная стойкость.
Оловянные баббиты широко применяют в подшипниках турбин, крупных судовых дизелей, электрических машин и других уникальных установок. Свинцовые баббиты применяют в менее ответственных случаях. На железнодорожном транспорте большое распространение получили кальциевые баббиты (буксовые подшипники вагонов, подшипники коленчатого вала тепловозных дизелей). Однако так как баббиты сравнительно мягкие сплавы, значительно разупрочняющиеся с повышением температуры (табл. 10, рис. 5), то усталостная прочность их невысока, что практически исключает их применение в тяжелонагру-женных и скоростных подшипниках современных двигателей.
Из-за малой прочности все баббиты могут успешно работать только в подшипниках, имеющих прочный стальной, чугунный или бронзовый корпус. Как правило, тонкостенные подшипниковые вкладыши автомобильных двигателей изготавливают штамповкой из биметаллической ленты, полученной на линии непрерывной заливки. Подшипники большого диаметра обычно заливают индивидуально стационарным или центробежным способом, а также литьем под давлением.
Усталостная прочность баббитового слоя при работе в подшипнике в значительной степени зависит от его толщины. Обычно толщина слоя t в подшипнике составляет:
для оловянного баббита . 0,25 -f- 0,0054
для свинцового » 0,5 4- 0,014
где d — диаметр подшипника, мм
Масляные зазоры составляют от диаметра вала (%): 0,05—0,12 для оловянных баббитов и 0,08—0,15 для свинцовых баббитов (большие зазоры применяют в подшипниках с более высокими нагрузками).
Алюминиевые подшипниковые сплавы. Состав, условия применения и свойства антифрикционных сплавов на алюминиевой основе приведены в табл. 11, 12, 13.
Антифрикционные свойства алюминиево-оловянных сплавов повышаются с увеличением содержания олова. Однако в литых сплавах
8. Химический состав (%) оловянных и свинцовых баббитов (ГОСТ 1320*—74)
Баббит Sn Sb Си Cd N1 As РЬ
Б88 Б 83 Б83С Б16 БН БС6 Остальное » 15,0—17,0 9,0—11,0 5,5—6,5 7,30—7,80 10,0—12,0 9,0—11,0 15,0—17,0 13,0—15,0 5,5 —6,5 2,5—3,5 5,5—6,5 5,0—6,0 1,5 —2,0 1,5—2,0 0,1—0,3 ’° о О 00 11 1111 р ►- КЗ о 0,15 — 0,25 0,10—0,50 0,5—0,9 1,0—1,5 Остальное »
Примечания: 1. По требованию потребителя в баббите Б88 допускается замена компонентов Cd и N1 на Sn и увеличение примеси РЬ до 0,35%. 2. По требованию потребителя в баббите Б83 содержание примеси РЬ может быть увеличено до 0,5%. 3. По требованию потребителя в баббите Б83С содержание РЬ может быть увеличено до 3,0%.
9. Химический состав (%) кальциевых баббитов (ГОСТ 1209—73)
Баббит Основные компоненты Примеси (не более)
Са Na Sn Mg Al РЬ В1 Sb Си Mg Прочие
БКА БК2 БК2Ш 0,95—1,15 0,30—0,55 0,65—0,90 0,7—0,9 0,20—0,40 0,70—0,90 1,5 —2,1 1,5 — 2,10 0,06—0,11 0,11—0,16 0,5—0,20 Остальное » 0,1 0,2 0,2 0,25 0,2 0,2 0J5 0,15 0,02 0,3 0,3 0,3
Примечания: 1. По согласованию сторон баббиты БКА изготавливают с содержанием алюминия менее 0,05%. 2. Баббиты БК2Ш применяют в качестве шихтового материала при изготовлении сплава для заливки подшипников.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
10. Характеристики физических и механических свойств баббитов *
Характеристика Б88 • Б83 Б83С Б16 БН БС6 БКА БК2
Температура «начала плавления/ *С 241 240 240 240 240 247 320 —
Температура конца плавления, *С 298 370 370 410 400 280 440 —
Плотность, г/см’ 7,3 7,38 7,40 9,29 9,55 9,8 10,5 —
Коэффициент линейного расширения, а-10% 1/°С 23,2 23,0 23,0 24,0 — — 36 —
Теплопроводность, кал/(см* *°С). С,092 0,080 0,08 0,06 — — 0,05 —
Линейная усадка, % «... 0,65 0,65 — 0,55 0,65 — 0,75 —
Модуль упругости Е, кгс/мм2 5700 - 4800—6000 — — — 2580 2200 —
Твердость НВ, кгс/мм2 20—25 25—32 25 — 30 25—30 25 — 30 16—17 32 20—29
Ударная вязкость (образцы без над-реза), ан, кгс* м/см2 1,2 0,6 0,6 0,14 . 0,3—0,4 — 0,8 1,2
Временное сопротивление разрыву ов, кгс/мм2 6—8 8,0—11,0 8,0—10 7,8 7,0 6,4 —6,8 9,3 10—12
Предел текучести о02, кгс/мм2 5 — 6 5—9 5—9 — 6,0 — — —
Относительное удлинение б, % 10—12 6,0—12,0 5,0=р10 0,2 1 — 2 12—20 8,’ 2,5
Относительное сужение ф, % 13,6 — — — — — — —
Коэффициент трения со смазкой . — 0,005 0,005 0,006 0,006 — — 0,004
Коэффициент трения без смазки . — 0,28 0,25 — 0,27 — — 0,14
* Баббит без Ni и Cd.
Примечание. Данные приведены для литья в кокиль.
Припои и подшипниковые материалы
410
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
содержание олова не может превышать 10—12%, так как образующаяся грубая сетка оловянной составляющей резко снижает свойства сплава при повышенной температуре (рис. 6), что отрицательно влияет на износостойкость и усталостную прочность сплава при работе в подшипнике. При применении прокатанных и отожженных сплавов, у которых оловянная составляющая располагается в виде отдельных
Рис. 5. Изменение характеристик мез ханических свойств баббитов в интерз вале температур 20—200° С:
• Б88 (без Ni и Cd) — Б83.--------Б16
Рис. 6. Изменение характеристик меч ханических свойств сплава АО20-1 в интервале температур 20—380° С: —-----литой сплав;------ обработан-
ный сплав
компактных включений, появляется возможность увеличить содержание олова и получить сплавы с наилучшими антифрикционными свойствами.
Алюминиево-сурьмянистый сплав АСМ применяют только в прокатанном и отожженном состоянии. Промышленность выпускает биметаллические полосы сплава АСМ — малоуглеродистую сталь толщиной от 2,2 до 6,2 мм (ТУ 48-21-83—72), а также биметаллы с алюми-ниево-оловянными сплавами, в основном со сплавом АО 20-1 (ТУ 48-21-6—74) толщиной от 1,5 до 8,65 мм.
Для уменьшения времени приработки подшипниковых узлов и уменьшения износа пары в процессе приработки внутреннюю поверхность вкладыша следует обрабатывать до чистоты не ниже 8-го класса (ГОСТ 2789—73).
11. Химический состав (%) антифрикционных сплавов на алюминиевой основе
Сплав Sn Mg Sb Си N1 Si Fi А1
АОЗ-1 * 2,0—*4,0 — — 0,8—1,2 0,3—0,5 1,7—2,1 — Остальное
АО9-2 * 8,0—10,0 — — 2,0—2,5 0,8-1,2 0,3—0,7 —
АО9-2Б * 8,5—10,0 — — 1,5—2,0 — — 0,02—0,10
АО9-1 * 8,0—10,0 — — 0,8—1,2 — — —
АО20-1 * 17,0-23,0 — — 0,7-1,2 — — До 0,12
АН 2,6* — — — — 2,7—3,3 — —
АСМ * — 0,3—0,7 3,5—6,5 — — — —
АО 6-1 ** 5,5—7,0 — 0,7—1,3 0,7—1,3 До 0,3 До 0,20
Алькусин ** — — — 7,5—9,5 — 1,5—2,5 —
* Сплав, вошедший в ГОСТ 14113—69. ** Сплав, не вошедший в ГОСТ 14113—69.
Припои и подшипниковые материалы
12. Характеристики физических и механических свойств алюминиевых антифрикционных сплавов
Характеристика Сплав (его состояние)
АОЗ-1 (литье в кокиль) АО9-2 (литье в кокиль) АО9-2Б (литье в кокиль) AO9-I (прокатанный и отожженный) АО20-1 (прокатанный и отожженный) АН2,5 АСМ (прокатанный и отожженный) АО6-1 Алькусин (литье в кокиль)
(литье в кокиль) (прокатанный и отожженный) (литье в кокиль) (прокатанный и отожжен- ный)
Температура начала плавления, °C . . . 228 226 226 228 228 620 — — 224 — 458
Температура конца плавления, °C . . . 655 650 650 650 630 650 — — 649 — 658
Плотность, г/см8 2,8 3,0 3,0 3,0 3,2 2,8 — 2,83 2,88 — 2,86
Коэффициент линейного расширения а-10е, 1/°С . . . — — — — 23,0 22,6 — 23,4 — 22,0
Теплопроводность, кал/(см« с* °C) . — — — — 0,38 0,3 — 0,43 — 0,40
Модуль упругости Е, кгс/мм2 ...... — — — — — 6600 — — 7240 — —
Твердость НВ, кгс/мм2 40—45 50—60 50 29-35 28—33 32-40 30—35 22—26 45 40-48 65 — 80
Временное сопротивление разрыву ов, кгс/мм2 11 13,0 — 17,0 13—15 10,5 — 12,5 10—12 11,5 — 14,0 11,5 — 15,0 8,5—9,5 16,0 12,0— 13,6 12—16
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Продолжение табл. 12
Характеристика Сплав (его состояние)
АОЗ-1 (литье в кокиль) АО9-2 (литье в кокиль) АО9-2Б (литье в кокиль) АО9-1 (прокатанный и отожженный) АО20-1 (прокатанный и отоженный) АН2,5 АСМ (прокатанный и отожженный) АО6-1 Алькувин (литье в кокиль)
(литье в кокиль) Х ® ¥ ¥ 3 2® — ® ° (литье в кокиль) (прокатанный и отожженный)
Предел текучести при растяжении <*0,2» кгс/мм2 • . . 7,8— 7-8 6.5—7,7 4,3—6,5 7,2—9,1 3,2-4,6 8,0 4,6—5,4
Относительное удлинение б, % . ... 2,0 10,5 2,3 —6,3 7—10 30 — 35 29—35 16—24 29 — 31 30—38 12 20—25 0,5—1,2
Относительное сужение ф, % . • • • 70—75 58,5 — 27,5 — 58,0— 45 — 52 0,5—1,5
Ударная вязкость ан, кгс* м/см2 • • — — — 7,5 —8,5 72 6—7,5 33,5 2,8—3,2 62,5 4,8—5,8 3,0—3,3 — — 0,3 —0,4
Коэффициент трения со смазкой — — — — 0,011 0,013 — — — — 0,005
Коэффициент трения без смазки .... — — — — 0,18 0,30 — — — — —
Припои и подшипниковые материалы
со
13. Алюминиевые антифрикционные сплавы
Характеристики работы подшипника (не более)
Сплав Примерное назначение * Нагрузка на подшипник, кгс/см* Окружная скорость, м/о Температура масла, °C
АО 3-1, АО 9-2 . Для отливки монометаллических вкладышей и втулок тол-щиной не менее 10 мм 200 250 15 15 100 100
АО9-2Б Для получения биметаллических подшипников со стальным корпусом методом литья 300 20 120
АО9-1 АО20-1 Для получения биметаллической ленты со сталью методом прокатки с последующей штамповкой вкладышей .... 300 20 120
АН-2,5 Для отливки вкладышей и получения прокаткой монометаллической и биметаллической ленты с последующей штамповкой вкладышей 200 15 100
АСМ Для получения биметаллической ленты со сталью методом прокатки с последующей штамповкой вкладышей . • . 200 15 100
АО6-1 Для отливки монометаллических вкладышей и втулок Для получения биметаллической ленты со сталью методом прокатки с последующей штамповкой вкладышей . • • 200 300 15 20 120 120
Алькусин Для отливки монометаллических вкладышей и втулок, работающих в условиях спокойной нагрузки и хорошей 100 5 100
* При работе в тяжелонагруженных скоростных подшипниках на рабочую поверхность антифрикционного сплава наносят покрытие мягкого металла (чистое олово, сплав из РЬ и 10% Sn и т. д.) толщиной 0,02—0,03 мм. Для изделий из сплава марки АО20-1 наличие покрытия необязательно.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Медь. никель и их сплавы
415
МЕДЬ, НИКЕЛЬ И ИХ СПЛАВЫ
Медь
Медь отличается высокими электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью, температурой плавления, коррозионной стойкостью, отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии, хорошими литейными свойствами и удовлетворительной обрабатываемостью резанием. Благодаря этим ценным качествам медь используют в электротехнике, различных отраслях машиностроения, радиоэлектронике и приборостроении.
Согласно ГОСТ 859—66* промышленность выпускает медь десяти марок (табл. 14) в виде катодов, вайербасов, слитков и полуфабрикатов (листов, полос, лент, прутков, труб, проволоки, поковок). Из этих полуфабрикатов готовят обработкой давлением и резанием всевозможные детали. Медь является хорошим материалом для фасонных отливок.
Медь также широко применяют для защитных коррозионностойких покрытий. Для электролиза чаще используют медные аноды из специальной меди АМФ.
Характеристики основных физико-механических и физико-химических свойств, температуры литья и горячей обработки меди
Атомный номер Относительная атомная масса Решетка
Плотность, г/см8................
Температура плавления, ®С ...
Скрытая теплота плавления, кал/г Температура кипения, °C Скрытая теплота испарения, кал/г . . Теплопроводность, кал/(см*с*®С), при: 20° С
100° С
700° С...........................
Удельная теплоемкость, кал/(г*®С), при: 20° С
600® С
1000°С .......................................
Коэффициент линейного расширения а-10“% 1/°С, при: 0—100° С
25—300° С 0 — 600° С 0—900° С
29 63,54 Кубическая гранецентрированная
(а = 3,6080 А) 8,94 1083 50,6 2595 1290
0,941 0,900 0,840
0,092 0,103 0,112
16,7
17,7
18,6
19,3
Отражательная способность, %, при X = 5500 А .
Излучательная способность, % (X = 6650 X), при: 930° С 1080° С 1100° С ......................................
Удельное электросопротивление, Ом*мм2/м, при: 20® С 500° С .................................
Электропроводность, м/(Ом«мм2), при 20° С ....
Температурный коэффициент электросопротивления, при 20° С ..................... . ...
Мощность излучаемой энергии, Вт/см% при: 27° С 227° С 1227° С . . .
Работа выхода, э-В
1/°С,’
61
0,0178 0,053
57
3,93- 10“я
0,05 0,11 4,26 4,46
416
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Сжатие объема при затвердевании, % Вязкость при 1145° С, г/(см«с) Поверхностное натяжение, дин/см Нормальный потенциал по отношению к водородному электроду, В .... Предел прочности, кгс/мм’: 4,05—4,2 0,0341 1178 + 0,34
мягкой меди твердой меди Относительное удлинение, %: мягкой меди твердой меди Твердость по Бринелю, кгс/мм’1 мягкой меди твердой меди . . . Предел текучести, кгс/мм2: мягкой меди твердой меди .... Ударная вязкость, кгс «м/см2 Сопротивление сжатию, кгс/мм’ . . Предел прочности на срез, кгс/мм2: мягкой меди твердой меди 20—25 40-49 60 6 45 ПО 9-15 30—45 10—18 55—65 15 21
Предел ползучести кгс/мм2, при: 20° С 7
200° С 5
400°С..................................................... 1,4
Модуль сдвига, кгс/мм’ . . 4240
Модуль упругости, кгс/мм’:
мягкой меди . И 700—12 600
твердой меди....................................... .12 200—13 500
Температура рекристаллизации, °C 180 — 300
Температура горячей деформации, °C 1 050 — 750
Температура литья, °C 1 150—1 250
Линейная усадка, %................ 2,1
Травитель после отжига на воздухе 10%-ная
серная кислота
На рис. 7, 8, 9 приведены зависимости свойств меди от температуры испытания и состояния металла.
Электропроводность (теплопроводность) меди зависит от содержания примесей (рис. 10).
Рис. 7. Зависимость характерна стик механических свойств и удельного электросопротивления меди марки Ml от степени деформации
Рис. 8. Зависимость характеристик механических свойств и удельного электросопротивления меди марки Ml от температуры отжига (про* должите льность отжига 1 ч)
14. Химический состав (%) меди
Марка Си (не менее) Примеси (не более)
Bi Sb As Fe Ni Pb Sn S O2 Zn P Ag Всего
МОО 99,99 0,0005 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 — 0,001 0,001 —. 0,01
МО 99,95 0,001 0,002 0,002 0,004 0,002 0,004 0,002 0,004 0,02 0,004 0,002 0,003 0,05
МОб 99,97 0,001 0,002 0,002 0,004 0,002 0,004 0,002 0,004 0,001 0,003 0,002 0,003 0,03
Ml 99,90 0,001 0,002 0,002 0,005 0,002 0,005 0,002 0,005 0,05 0,005 — 0,003 0,1
М1р 99,90 0,001 0,002 0,002 0,005 0,002 0,005 0,002 0,005 0,01 0,005 0,04 0,003 0,1
М2 99,70 0,002 0,005 0,01 0,05 0,2 0,01 0,05 0,01 0,07 — — — 0,3
М2р 99,70 0,002 0,005 0,01 0,05 0,2 0,01 0,05 0,01 0,01 — 0,04 — 0,3
М3 99,50 0,003 0,05 0,01 0,05 0,2 0,05 0,05 0,01 0,08 — — — 0,5
МЗр 99,50 0,003 0,05 0,05 0,05 0,2 0,03 0,05 0,01 0,01 — 0,04 — 0,5
М4 99,0 0,005 0,2 0,2 0,1 — 0,3 — 0,02 0,15 — — — 1,0
АМФ Остальное 0,001 0,002 0,002 0,005 0,002 0,005 0,002 0,005 0,05 0,005 0,03 — 0,16 0,003 0,1
Примечал и я: 1. Марки и состав меди даны по ГОСТ 859 — 66’.
2. Медь марки АМФ предназначена только для изготовления анодов по ГОСТ 767—70. Фосфор в этой меди является легирующей добавкой для улучшения растворения анодов при электролизе.
Медь, никель и их сплавы
418
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
При плавлении меди в ней может растворяться некоторое количество кислорода в виде закиси меди. Примеси кислорода несколько снижают электропроводность и пластичность меди в горячем и холодном состоянии, а также могут привести к «водородной болезни».
В изделиях, содержащих закись меди, при нагреве в водороде образуются трещины и пузыри, из-за чего резко снижаются их прочность и пластичность. «Водородная болезнь» возникает вследствие того, что при нагреве водород быстро диффундирует в медь, и, соединяясь с кислородом, образует пары воды. Эти пары из-за незначительной скорости диффузии создают высокое давление, что и приводит к образованию
Рис. 10. Влияние примесей на электропроводность меди
Рис. 9. Зависимость характеристик механических свойств меди, раскис* ленной фосфором, от температуры испытания
упомянутых дефектов в меди. Для предохранения от окисления медь плавят или под слоем древесного угля, или с использованием защитных газов, или в вакууме.
В ряде случаев производят дополнительное раскисление жидкой меди. Один из наиболее эффективных и употребляемых раскислителей — фосфор (0,01—0,05%).
Расплавленную медь также предохраняют от насыщения серой, примеси которой ухудшают ее механические свойства.
Высокая теплопроводность и электропроводность меди затрудняют ее электросварку (точечную или роликовую), особенно в виде массивных изделий. Тонкие медные детали и полуфабрикаты можно сваривать электродами из вольфрама и молибдена. Предварительное лужение соединяемых поверхностей облегчает сварку. Легче осуществить сварку встык, но для этого необходимы трансформаторы большой мощности. Детали толщиной более 2 мм можно сваривать нейтральным ацетиленокислородным пламенем, при этом необходимо предохранять их от окислениями загрязнения. Наиболее надежный способ соединения медных изделий — пайка твердыми и мягкими припоями.
Медь отлично штампуется, но при этом необходимо помнить, что в отожженном состоянии она отличается значительной анизотропией механических свойств, вызывающей образование фестонов при глубокой вытяжке. Для уменьшения фестонов листовую (ленточную) медь следует готовить по особому технологическому процессу. Чистовая обработка резанием мягкой меди ввиду ее большой вязкости затруд-
Медь, никель и их сплавы
419
йена. Для деталей, изготавливаемых резанием, рекомендуется применять нагартованную (твердую) медь. Химический состав меди см. ГОСТ 13938.0—68; 13938.12—68; 13938.13—69.
Склонность к «водородной болезни» (ГОСТ 15471—70) определяют путем отжига образцов в виде пластин в водороде при 825—875° С (40 мин), последующего визуального осмотра и испытания на перегиб. Испытание проволоки на растяжение см. ГОСТ 10446—63, а на перегиб — ГОСТ 1579—63. Механические свойства плоского проката в условиях растяжения см. ГОСТ 1497—73, ГОСТ 11701—66, а на изгиб — ГОСТ 14019—68.
Основное количество меди (табл. 15 и 16) используют для приготовления сплавов. В технической литературе медные сплавы разделяют на три группы: латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.
15. Плоский прокат из меди
Полуфабрикаты Состояние ГОСТ Толщина, мм Ширина, мм Длина, . мм
Листы Горяче- ) катаные 1 Холодно- [ катаные ) 495—70 3—25 0,4—120 600—3000 400—2000 1000—6000 600—2000
Полосы Холоднокатаные 495—70 0,4—2,2 40—600 500—2000
Ленты 1173—70* 0,05—20 10—600 —-
Фольга Аноды Холоднокатаная Горяче- ] катаные 1 Холодно- | катаные ) 5638—75 767—70 0,015— 0,05 2—10 5-15 20—150 75—1000 75—1000 300—2000 300—2000
Полуфабрикаты из меди поставляют в мягком (отожженном), полутвердом (обжатие 10—30%) и твердом (обжатие более 35%) состоянии.
Латуни
Латуни — двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основной легирующий компонент — цинк.
По сравнению с медью латуни обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью, литейными свойствами и температурой рекристаллизации. Это наиболее дешевые медные сплавы. Латуни широко применяют в машиностроении и многих отраслях промышленности.
Двойные (простые) латуни, содержащие 88—97% Си, называют томпаком, а содержащие 79—86% Си — полутомпаком. По структуре выделяют а-латуни, (а + 0)-латуни и 0-латуни, причем а- и (а + 0)-латуни пластичны в холодном и горячем состоянии, 0-латуни только при высоких температурах. На рис. 11 показана зависимость свойств медноцинковых сплавов от состава.
Медно-цинковые сплавы, легированные одним или несколькими элементами, называют специальными латунями. Наименование таких латуней дается по легирующим элементам, например, латунь, содержащую свинец, называют свинцовой. Простые латуни маркируют буквой Л, за которой пишут содержание меди в %. В специальных латунях после буквы Л пишут заглавную букву дополнительных легирующих элементов и через тире после содержания меди указывают
16. Круглый прокат из меди
Полуфабрикат Состояние ГОСТ Диаметр наружный, мм Диаметр внутренний, мм Длина, мм Остальные размеры, мм
Прутки Тянутые 3—50 1000—5000
Горячекатаные 1535-71 32—100 1000 — 5000
'Прессованные 20—150 1000—5000
Тянутые 16130—72 6—8 1000—5000
Трубы Тянутые 3—300 1500—6000
Холоднокатаные 617—72 3—300 1500—6000
Прессованные 30—280 1000 — 6000
Трубки капиллярные Тянутые 2624 — 67* 2—2,1 0,8—0,85
Трубки тонкостенные повы- Тянутые 11383—65 1,5—2,8 Толщина
шенной прочности стенки
Трубки радиаторные круг- Тянутые 529—41* 0,15—0,7
лые и профильные
Проволока крешерная Тянутая 4752—55* 3—10
Проволок? прямоугольного Тянутая 434 — 71* Толщина
сечения 0,8—6,0
Проволока сварочная Тянутая 1,2—8,0 Ширина
Горячекатаная 16130-72 1,2 —8,0 2,0—3,5
Проволока круглая Тянутая 2112—72* 0,09—10,0
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Медь, никель и их сплавы
421
содержание вводимых элементов в процентах. В зависимости от способа обработки латуни подразделяют на деформированные и литейные. Последние могут изготовляться из вторичного сырья (вторичные литейные латуни). Из деформированных латуней изготовляют листы, ленты, полосы, прутки, трубы, проволоку и поковки; из литейных —
фасонные отливки.
Основные легирующие элементы в специальных латунях—алюминий, железо, кремний, марганец, мышьяк, никель, олово, свинец. Алюминий, а также никель и олово повышают прочность, коррозионную стойкость латуни на воздухе, в морской атмосфере и морской воде, а также улучшает антифрикционные свойства. Железо измельчает зерно, повышает температуру рекристаллизации и твердость латуни. Кремний повышает прочность, коррозионную стойкость, антифрикционные свойства, а марганец — жаростойкость латуни. Мышьяк предохраняет латунь от обесцинкования в агрессивных пресных водах при комнатной и
Рис. 11. Зависимость характеристик механических свойств медно-цин-ковых сплавов от содержания цинка (исходный материал — образцы, деформированные на 40%)
повышенных температурах. Добавки
никеля, мышьяка и железа к
алюминиевым латуням повышают их стойкость к щелочам и разбавленным кислотам. Свинец, практически не растворимый в медной основе, располагается в виде дисперсных частиц в объеме зерен и по их границам. Свинец—своеобразная смазка, уменьшающая износ инструмента при обработке резанием латуни. Мелкая, легко отделяющаяся стружка, образующаяся при механической обработке, позволяет получать поверхность обрабатываемых изделий высокой чистоты.
Обрабатываемость резанием медных сплавов оценивается в процентах по отношению к обрабатываемости латуни марки ЛС 63-3, котбрая принимается за 100%.
Латуни, за исключением свинцовосодержащих, легко поддаются обработке давлением в горячем и холодном состоянии. Все они хорошо
паяются твердыми и мягкими припоями и легче свариваются, чем медь. Следует иметь в виду, что латуни, содержащие более 15% цинка в хо-лоднодеформированном состоянии, в том числе и после обработки резанием, склонны к самопроизвольному коррозионному растрескиванию при хранении, особенно во влажной атмосфере, содержащей сернистые газы или аммиак. Для предохранения от растрескивания латунные полуфабрикаты и изделия подвергают низкотемпературному отжигу (250—300° С), при котором уменьшаются остаточные напряжения, но не снижается их прочность. Латуни, за исключением марки ЛАНКМц 75-2-2,5-0,5-0,5, упрочняют деформационным наклепом. Латунь последней марки — единственный дисперсионно-твердеющий сплав, упрочняемый в результате закалки и старения.
Плоский прокат выпускают в мягком (отожженном), полутвердом (обжатие 10—30%), твердом (обжатие 30—50%) и особотвердом (обжатие более 60%) состоянии. В табл. 17—19 приведены марки и назначе-
17. Химический состав и назначение деформируемых простых латуней по ГОСТ 15527—70
Латунь Основные компоненты, % Примеси (не более), % Примерное назначение
Си Zn РЬ Fe Sb Bi Р Всего
Л96 95,0—97,0 Остальное 0,03 0,10 0,005 0,002 0,01 0,2 Для радиаторных и капиллярных трубок
Л90 88,0—91,0 0,03 0,10 0,005 0,002 0,01 0,2
Л85 Л80 84,0—86,0 79,0—81,0 0,03 0,03 0,10 0,10 0,005 0,005 0,002 0,002 0,01 0,01 0,3 0,3 Для змеевиков, сильфонов, деталей теп* лотехнической и химической аппаратуры. Для деталей машин и приборов
Л70 69,0—72,0 0,03 0,07 0,002 0,002 0,005 0,2 Для гильз химической аппаратуры
Л68 67,0—70,0 0,03 0,10 0,005 0,002 0,01 0,3 Для изделий, изготавливаемых штамповкой
Л63 62,0—65,0 0,07 0,2 0,005 0,002 0,01 0,5 Для гаек, болтов, деталей автомобилей, конденсаторных труб
Л60 5 ,0—62,0 0,30 0,2 0,01 0,003 0,01 1.0 Для толстостенных патрубков, шайб, деталей машин
П и 0,002 2. римечания:!. В латуни Л70 кроме перечисленных примесей должно быть не белее 0,005% As, 0,005% Sn % s. В диамагнитных латунях содержание Fe должно быть не более 0,03%.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
18. Химический состав* (%) и назначение специальных латуней (ГОСТ 15527—70)
Латунь Си РЬ Fe Мп А1 Sn Si Ni As Примерное назначение
ЛА77-2 76,0— 79,0 — 1“ — 1,75 — 2,50 — — — — Для конденсаторных труб морских судов
ЛАЖ60-М 58,0— 61,0 — 0,75— 1,50 0,1 — 0,6 0,75— 1,50 — — — — Для деталей морских судов
ЛАН59-3-2 57,0— 60,0 — — 2,50— 3,50 — — 2,0— 3,0 — Для деталей морских судов и электромашин. В химическом машиностроении
ЛЖМЦ59-1-1 57,0— 60,0 — 0,6— 1,2 0,5— 0,8 0,1—0,4 0,3— 0,7 *- •— — Для деталей морских судов, самолетов, вкладышей подшипников
ЛН65-5 64,0— 67,0 — *— — — — — 5,0— 6,5 — Для манометрических трубок и конденсаторных труб морских судов
ЛМц58-2 57,0— 59,0 — — 1,0— 2,0 — — — — — Для гаек, болтов, арматуры и других деталей машин
ЛМцА57-3-1 55,0— 58,5 — — 2,5 — 3,5 0,5-1,5 — — — — Для деталей морских и речных судов
ЛО90-1 88,0— 91,0 — — — —- 0,25— 0,75 — — — Для конденсаторных труб, теплотехнической аппаратуры
ЛО70-1 69,0— 71,0 — — — — 1,0— 1,5 — — — То же
Л062-1 61,0— 63,0 — — — — 0,7— 1,1 — — —
ЛО60-1 U 59,0— 61,0 — — — — 1,0-1,5 — — — »
Медь, никель и их сплавы
Продолжение табл. 18
Латунь Си РЬ Fe Мп А] Sn Si Ni As Примерное назначение
ЛС63-3 62,0— 65,0 2,4— 3,0 — — — — — — — Для деталей часов; втулок
ЛС74-3 72,0— 75,0 2,4 — 3,0< — — — — — — — То же
ЛО64-2 63,0— 66,0 1,5— 2,0 — — — — — — — Для полиграфических матриц
Л060-1 59,0— 61,0 0,6— 1,0 — — — — — — — Для гаек, болтов, шестеренок, зубчатых колес, втулок
ЛО59-1 57,0— 60,0 0,8— 1,9 — — — — — — — То же
ЛС59-1В 57,0— 61,0 0,8— 1,9 — — — — — — —
ЛЖС58-1-1 56,0— 58,0 0,7— 1,3 0,7— ‘ 1,3 — — — — — — Для деталей, производимых механической обработкой
ЛК80-3 79,0— 81,0 — — — — — 2,5— 4,0 — — Для коррозионно-стойких деталей машин
ЛМш68-0,05 67,0— 70,0 — — — — — — — 0,025— 0,06 Для конденсаторных труб
ЛАМш77-2-0,05 76,0— 79,0 — — — 1,75— 2,5 — — — 0,025— 0,06 Для конденсаторных труб морских судов
ЛОМш70-1-0,05 69,0— 71,0 — — — — 1.0— 1.5 — — 0,025— 0,06 Для конденсаторных труб
ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 73,0-76,0 — — 0,3— 0,7 1,6—2,2 *— 0,3— 0 7 2,0— 3,0 — Для пружин, манометрических трубок
* Zn — остальное.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
1-9. Химический состав* (%) и назначение литейных латуней (ГОСТ 17711 — 72)
Сплавы Си А1 Fe Мп Si Sn Pb Ni Примерное назначение
ЛК80-ЗЛ 78-81 — — — 3,0— 4,5 — — — Для деталей арматуры, работающих при температуре до 250° С, а также в морской среде
ЛКС80-3-3 77—81 — — 2,5— 4,5 — 2,5 —4,5 — Для литых подшипников и втулок неответственного назначения
ЛАЖМц66-6-3-2 64-68 4-7 2,0-4,0 1,5—3,0 — — — — Для гаек нажимных винтов, массивных червячных винтов
ЛА67-2,5 66—68 2—3 •— — — — — — Для коррозионностойких деталей Для арматуры втулок и подшипников
ЛАЖ60-ЫЛ 58—61 0,8— 1,5 0,8—1,5 0,1 —0,6 — 0,2-0,7 — —
ЛМцНЖА60-2-1-1-1 58—62 0,5— 1,0 0,5-1,1 1,5-2,5 — — — 0,5 — 1,5 Для деталей арматуры, не имеющих притираемых поверхностей
ЛС59-1ЛД 58-61 — — — — — 0,8—2,0 — Для литья под давлением, а также других видов литья
ЛС59-1Л 57—61 0,8—2,0 Для фасонного литья арматуры, втулок, сепараторов, шариковых и роликовых подшипников
ЛМцОС58-2-2-2 57—60 — 1,5—2,5 1,5 —2,5 0,5—2,5 Для шестерен
ЛМцС5 8-2-2 57 — 60 — — 1,5—2,5 — — 1,5 —2,5 — Для подшипников, втулок и других антифрикционных деталей Для упорных и опорных подшипников
ЛМц58-2Л 57—60 — — 1,0—2,0 — — — —
ЛМцЖ55-3-1 53 — 58 0,5—1,5 3,4 — — — — Для деталей ответственного назначения, работающих при температурах до 300® С
ЛВОС * Zn — цстальн 60—75 ое. 0,5-2,0 1 — 3 Для штуцеров гидросистемы автомобилей
Медь, никель и их сплавы
20. Характеристики основных свойств двойных (простых) деформируемых латуней и температуры их обработки
Латунь Плотность, г/см” Температура плавления, °C Т еплопроводность. кал/(смс°С) Коэффициент линейного расширения а-10“» Р. Ом мм2 ав, кгс/мм2 ef % НВ( кгс/мм2 Ef кгс/мм2 Температура горячей обработки,- °C Температура отжига, °C Обрабатываемость резанием, % *
Твердая Мягкая Твердая Мягкая Твердая Мягкая Твердая Мягкая
м
Л96 8,85 1070 0,58 17,0 0,043 42—48 22—26 1 — 3 45—55 130— 145 50—60 11 400 — 700— 850 450— 600 20
Л90 8,78 1045 0,43 17,1 0,045 44—52 24—28 2—4 45—55 ISO-145 50—60 10 500 — 700— 850 450— 600 20
Л85 8,75 1025 0,36 18,7 0,047 53—58 26—30 2—5 45—55 135— 145 52—62 10 500 — 700— 850 500— 650 30
Л80 8,66 1000 0,34 18,8 0,060 61 — 68 30—35 2—5 45-55 140— 150 55—65 11 200 10 600 700— 850 500— 650 30
Л70 8,61 950 0,29 18,9 0,069 63—70 30—35 3—6 50—60 145—_ 155 ‘ 55—65 11 500 •— 700— 850 550— 650 30
Л68 8,60 938 0,27 19,0 0,072 66—74 30—35 3—5 50—60 145— 155 55—65 11 500 11 000 700— 850 550— 650 30
Л63 8,44 906 0,26 20,5 0,074 68—75 38—45 2—4 40—50 150— 160 58—68 11 600 — 750— 880 550— 650 35
Л60 8,4 904 0,25 20,7 0,075 65—75 37—42 2—4 40—50 155— 165 60—70 11 800 — 750— 880 550— 650 35
* Данные в % по отношению к обрабатываемости латуни ЛС63-3.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
21. Характеристики основных свойств специальных деформируемых латуней и температуры их обработки
Латунь Плотность, г/см? Температура плавления, °C Теплопроводность, (кал/см-с-°С) Коэффициент линейного расширения Р. Оммм’/м Е, кгс/мм* ав, кгс/мм*
Твердая Мягкая
ЛА77-2 8,6 1000 0,27 18,3 0,075 10 200 55—65 35—45
ЛАЖ60-1-1 8,2 904 0,18 21,6 0,09 10 500 70—75 40—45
ЛАН59-3-3 8,4 956 0,20 19,0 0,078 10 800 65—75 45—55
ЛЖМц59-1-1 8,5 890 0,24 22,0 0,093 10 600 68-75 42—48
ЛН 65-5 8,6 960 0,14 18,2 0,140 И 200 68—75 38—45
ЛМц58-2 8,4 880 0,17 21,2 0,108 10 500 68—75 38—45
ЛМцА57-3-1 8,1 870 0,16 20,1 0,121 10 400 70-75 40 — 50
ЛО90-1 8,75 1015 0,30 18,4 0,054 10 500 48—56 25 — 31
ЛО70-1 8,6 935 0,28 19,7 0,072 10 500 68—75 32 — 38
ЛО62-1 8,5 906 0,26 19,3 0,078 10 500 68—75 38—43
Л060-1 8,5 900 21,4 0,078 10 500 54 — 62 36—40
ЛС63-3 8,5 905 0,28 20,5 0,069 9 800 55-65 30—40
ЛС74-3 8,7 965 0,29 17,5 0,068 10 500 60—70 30—40
ЛС64-2 8,5 910 0,28 20,3 0,070 10 500 58—67 32—38
ЛС60-1 8,5 900 0,25 20,8 0,065 10 500 60 — 70 30 — 40
ЛС59-1 8,5 900 0,25 20,6 0,066 10 500 60 — 70 30-40
ЛС59-1В 8,5 900 0,25 20,6 0,066 10 500 60—70 30—40
ЛЖС58-1-1 8,4 895 0,26 20,4 0,07 10 600 65 — 75 35-45
ЛК80-3 8,2 890 0,21 17,0 0,20 10 400 58 — 65 28—34
ЛМШ68-0.5 8,6 937 0,27 19,1 0,075 10 100 68—75 32-37
ЛАМш77-2-0,05 8,7 985 0,32 19,2 0,068 10 200 50—60 25—35
ЛОМш70-1-0,05 8,6 949 0,28 19,0 0,71 10 400 62 — 70 32 — 38
ЛАН КМц75- 2- 2,5- 0,5- 0,5 8,6 1000 0,30 * 18,3 0,105 * 11 500 85-95 50—60
* Закаленная и состаренная при 450° С.
Медь, никель и их сплавы
ьо
NO
Продолжение табл. 21
Латунь б, % НВ, кгс/мм’ Температура горячей обработки, Температура отжига, °C Обрабатываемость резанием, %
Твердая Мягкая Твердая Мягкая
ЛА77-2 ЛАЖ60-1-1 ЛАН59-3-3 ЛЖМи59-1-1 ЛН 65-5 ЛМц58-2 ЛМцА57-3-1 ЛО90-1 ЛО70-1 ЛО62-1 ЛО60-1 ЛС63-3 ЛС74-3 ЛС64-2 ЛС60-1 ЛС59-1 ЛС59-1В ЛЖС58-1-1 ЛК80-3 ЛМш68-0 5 ЛАМш77-2-0,05 ЛОМш70-1-0,05 ЛАНКМи75-2-2,5-0,5-0,5 * После закалки * * После деформа! * ** Термическая ol при 500® С, закалка, дефс Примечание. 7—11 7—10 7—11 5—10 3—6 5—10 4—8 3—6 3—5 5—10 3—5 3—6 2—5 4 — 6 4 — 6 4—6 4—6 2—5 3—5 3—5 3—5 2—4 6,0—10,0 и старения хии с обжа 5работка л >рмация 103 Обрабатывг 45—52 45—55 40—50 45—55 60—65 38—45 40—50 42—50 55 — 65 38—44 38—44 40—50 40—55 55—65 45 — 55 40—50 40—50 35 — 45 53 — 60 50—60 40—55 50—60 45—55 I при 450® < тием 50% 1 атуни марь и старен и 1емость рез; 150—160 165—175 175—185 155—165* 160—170 170—180 175—185 140—150 145—155 140—150 145—155 135—145 130—140 140—150 150—160 150—160 150—160 160—170 170—190 145—155 160—170 140—150 290—300 ** С. я старения прт [и ЛАНКМц75 е при 450® С; тс анием дана в ® 45—55 45—55 110—120 85 — 95 55—65 80—90 85—95 53—61 55—65 75—85 72—82 45—55 40—50 50—60 60—70 70—80 70—80 75—85 95—105 52—60 60—70 50—58 г 350® С. -2-2,5-0,5-0,5: ) же, но после по отношен] 720—770 600—800 700—750 650—750 750—87С 650—750 650—750 700—800 650—750 700—780 700—780 780—820 640 — 780 30 30 25 30 20 температура ' деформации на но к обрабатьп 600—650 600—650 600—650 600—650 600—650 600—650 600—650 600—700 550—650 550—650 550—650 550—650 600—650 600—650 620—670 600—650 600—650 600—650 600—650 750—850 700—850 600—700 700-850 800—850 *** гакалки '780® С 50% старение заемости латун 30 25 15 25 30 22 30 40 40 40 100 80 90 75 80 80 70 500—600 550—650 550—650 !, старение при 350® С. и ЛС63-3.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
22. Характеристики основных свойств литейных латуней
Характеристика ЛК80-ЗЛ ЛКС80-3-3 OJ СО со i S Ч ЛА67-2.5 1 ЛАЖ60-1-1Л f—* СЧ со * X Sf £ ЛС59-1Л ЛМцОС58-2-2-2 ЛМцС58-2-2 СО Ё ЛВОС
Плотность, г/см3 .... Температура плавления, °C Теплопроводность, кал/(см«с«°С) . р, Ом«мм2/м . • <УВ, кгс/мм2: литье в земляные формы литье в кокиль . . . центробежное литье <УТ, кг/мм2 (литье в земляные формы) .... Относительное удлинение д, % НВ, кгс/мм2 Литейная усадка, % . . . Коэффициент линейного расширения а« 10“в/1° С Коэффициент трения в паре со сталью: со смазкой • . . без смазки . ... Обрабатываемость резанием *, % ... * Данные в % по < 8,5 900 0,2 0,2 25 — 35 30—50 >30—50 12—20 14 — 20 100— по 1,7 17,0 0,01 0,19 30 отноШени! 8,6 900 0,2 0,2 25 — 30 30—40 35—40 14 12—18 90—100 1,7 17,0 0,009 0,15 50 ю к обра( 8,5 900 0,12 55 — 65 60—70 65 — 75 30 — 35 6—10 150 — 170 1,8 19,8 * 25 5атываемо 8,5 995 0,27 0,08 28—34 35 — 45 15—18 12—18 85 — 95 1,25 30 сти лат^ 8,5 904 0,27 0,09 34 — 44 40—48 25 20 — 25 85—95 1,7 21,6 30 /ни ЛС( 8,4 916 38—46 18—20 15 — 20 105 — 115 1,7 20 >3-3. 8,5 885 0,26 0,068 35-40 20 15—18 35-45 80-90 2,2 20,1 0,013 0,17 80 8,5 890 0,26 0,12 30—40 30—35 23-29 6-10 90—100 1,8 35 8,6 885 0,11 0,11 30 — 40 35-45 22 — 28 5—10 85-95 2,0 60 8,3 870 0,24 0,12 40—55 55—65 17—24 ю7— 110 1,6 22 25 8,6 920 0,27 0,09 25—30 20 — 25 70 — 80 1,8 60
Медь, никель и их сплавы
430
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
23. Плоский прокат из латуни
Полуфабрикат Состояние ГОСТ Латунь Толщина, мм Ширина, мм Длина, мм
Листы Холоднокатаные 931—70 Л68, ЛМц58-2, ЛС59-1, Л90, Л63 0,4—12 600—2000 600—1200
Горячекатаные 931 — 70 Л63, ЛО62-1* ЛС59-1 Б—25 600—1000 600—1410
Полосы Горячекатаные и холоднокатаные 931 — 70 4442—72 Л68, ЛМц58-2, ЛС59-1, Л90, Л63 ЛО62-1, Л85, Л80 ЛС63-3 0,4— 10 Ь5—8,0 400—500 20—90 Не менее 1500 Не менее 1500
Ленты Холоднокатаные То же 4442—72 2208—70 ЛС63-3 Л68. ЛМц58-2, Л63, Л80 Л90, Л85 ЛС59-1 о о ОО СЧ 1 1 — ю о ® о 10—150 10—60
24. Круглый прокат из латуни
Полуфабрикат Состояние ГОСТ Латунь Диаметр наружный* мм Диаметр внутренний, мм Толщина стенки, мм
Трубы Трубки радиаторные Трубки ка- Тянутые прессованные Тянутые Тянутые 494—69 529—41* 2624—67* Л63, Л68 ЛО70-1, Л63, ЛЖМц59-1 Л96 Л96 3—100 21 — 195 4—8 1,2— 0,35—
пиллярные Трубки тон- Тянутые 11383—65 Л96, Л68 2,5 1,5— 0,50 0,15—
костенные То же Тянутые 5685—51 Л63 Л80 28,0 8—80 0,7 0,07—
Прутки круглые, квадратные и шестигранные Проволока Прессованные тянутые Тянутая 2060—73 16130—72 12920—67 Л63, ЛС59-1* ЛС63-3, ЛО62-1, ЛМц58-2* ЛЖМц59-1-1, ЛАЖ60-1-1* ЛЖМц59-1-1, ЛАЖ60-1-1, ЛЖС58-1-1 ЛО60-1 Л63 3—160 0,8— 10,0 0.8— 10,0 0,6
Медь, никель и их сплавы
431
ние стандартных деформируемых и литейных латуней. Основные сведения о свойствах, режимах литья и обработки латуней даны в табл. 20—22.
В машиностроении применяют круглый и плоский прокат из латуней (табл. 23, 24).
Бронзы
Бронзами называют двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. Медноникелевые сплавы выделены в отдельную группу материалов. Название бронзе дают по легирующим элементам (например, сплав меди с алюминием называют алюминиевой бронзой). Маркируют бронзы буквами Бр, за которой следуют заглавные буквы легирующих элементов и через дефис цифры — их процентное содержание.
Различают две группы бронз: оловянные, в которых преобладающим легирующим элементом является олово, и безоловянные (специальные).
По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Первые легко поддаются штамповке, ковке, рифлению и другим видам обработки давлением, используемым при изготовлении изделий. Литейные бронзы предназначены для фасонных отливок. Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они весьма стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.
В качестве легирующих элементов в бронзах используют олово, алюминий, никель, марганец, железо, кремний, свинец, фосфор, бериллий, хром, цирконий и другие элементы. Бронзы, в которых легирующие элементы входят в твердый раствор, упрочняют деформационным наклепом. Последующим низкотемпературным отжигом (250— 300° С) могут быть повышены их упругие свойства. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной их растворимостью в a-твердом растворе, упрочняют дисперсионным твердением. К этому классу относится также бронза марки БрАЖН 10-4-4 (см. табл. 25).
Из перечисленных элементов олово, алюминий, никель и кремний главным образом повышают прочность, упругие свойства и коррозионную стойкость бронз, а в сочетании с другими элементами (свинцом, фосфором, цинком) также и антифрикционные свойства. Железо
25. Химический состав (%) и назначение оловянных деформируемых бронз (ГОСТ 5017—74)
Бронза Sn Р Zn Ni Pb Примерное назначение
БрОФ8,0-0,3 7,5—8,5 0,25—0,35 — 0,10—0,20 — Для сеток бумагоделательных машин
БрОФ7-0,2 7,0—3,0 0,10—0,25 — •» — Для шестерен, зубчатых колее, втулок н прокладок высоконагруженных машин
БрОФ6,5-0,4 6,0—7,0 0,26—0,40 — 0,10—0,20 — Для пружины, деталей машин, сеток бумагоделательных машин
БрОФ6,5-0,15 6,0—7,0 0,10—0,25 — — — Для пружин, втулок, вкладышей подшипников
БрОФ4-0,25 3,5—4,0 0,20—0,30 — — — Для трубок манометров
БрОЦ4-3 3,5—4.0 — 2,7—3,3 — Для токоведущих пружин, контактов штепсельных разъемов, деталей химических аппаратов
БрОЦС4-4-2,5 3,0—5,0 — 3,0—5,0 — 1,5—3,5 Для втулок и прокладок автомобилей и тракторов
БрОЦС4-4-4 3,0—5,0 — 3,0—5,0 — 3,5—4,5 То же
* Си — остальное.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Медь, никель и их сплавы
433
и никель сильно измельчают зерно и повышают температуру рекристаллизации бронз. Марганец и кремний повышают их жаростойкость. Бериллий, хром и цирконий, особенно после закалки и старения, повышают прочностные свойства сплавов, одновременно незначительно снижая их электропроводность. Эти элементы существенно повышают жаропрочность бронз. Большинство бронз (за исключением алюминиевых) хорошо поддаются сварке и пайке твердыми и мягкими припоями.
Безоловянные бронзы по своим свойствам не уступают, а по некоторым превосходят оловянные бронзы, и поэтому их широко применяют в машиностроении и других отраслях промышленности. Бронзы
Рис. 12. Зависимость хар; кте-» ристик механических свойств деформированных алюминиевых бронз от состава
используют для изготовления арматуры, всевозможных шестерен, подшипников, втулок, баков, резервуаров и других ответственных деталей и узлов машин и аппаратов.
Свойства бронз определяются содержанием в них легирующих элементов. На рис. 12 приведены графики зависимости характеристик свойств алюминиевых бронз от их состава.
Составы, назначение деформируемых оловянных бронз приведены в табл. 25, безоловянных в табл. 26, а литейных в табл. 27, 28.
Характеристики основных свойств, температуры литья, горячей обработки и термообработки приведены в табл. 29, 30. Как видно из приведенных данных, бериллиевая бронза в облагороженном состоянии — наиболее прочный сплав на медной основе. По своей твердости и упругим свойствам при обычной температуре она превосходит высококачественные стали. Особое положение занимают хромо- и кадмийсодержащие бронзы, которые являются наиболее высокоэлектропроводными и теплопроводными из стандартных бронз.
В машиностроении используют плоский и круглый прокат из бронз (табл. 31 и 32).
Плоский прокат поставляют в мягком (отожженном или закаленном), полутвердом (обжатие 10—30%), твердом (обжатие 30—50%) и особо твердом (обжатие более 60%) состоянии.
26. Химический состав (%) и назначение безоловянных деформируемых бронз (ГОСТ 18175—72)
Бронза А1 Be Fe Мп N1 S1 Т1 Примерное назначение
БрА5 4—6 . «мв
БрА7 6—8 — — — — — Для пружин, мембран сильфонов Для шестерен, втулок
БрАМц9-2 8—10 __ 1,5—2,5 — —
БрАМц10-2 9—11 — — 1,5—2,5 — — — Для червячных винтов, шестерен втулок
БрАЖ9-4 8—10 — 2—4 — — Для шестерен, седл клапанов, гаек нажимных винтов
БрАЖМцЮ-З-1,5 9—11 — 2—4 1 — 2 а» — — Для втулок, шестерен, подшипников
БрАЖН10-4-4 9,5—11 3,5—5,5 3,5—5,5 Для направляющих втулок, клапанов, шестерен и других деталей ответственного назначения
БрБ2 — 1,8—2,1 0,2—0,5 — — Для пружин и упругих элементов
БрБНТ1,7 1,60—1,85 м •МВ 0,2—0,4 0,1—0,25 То же
БрБНТ1,9 — 1,85—2,10 — 0,2—0,4 — 0,10—0,25 Для пружин и других упругих элементов
БрКНЬЗ — 0,1—0,4 2,4—3,4 0,6—1,1 — Для антифрикционных деталей, баков, резервуаров
БрКМцЗ-1 — — 1 — 1,5 2,75—3,5 — — Для пружин, втулок, вкладышей подшипников
БрМцб — •— —— 4,5—5,5 Для топок котлов
БрКд1 * — — — — — — Для коллекторов и троллейных проводов
БрХ0,7 ** * Химиче ** Химиче !СКИЙ СС !ский СС >став по ГС ►став по ТЪ )СТ 4134-' 48-21-16 -75, Cd — 3—72, Сг - 0,9—1,2%. - 0,4-1%. Для сварочных электродов, дисков электродов, электротехнических контактов, жаропрочных обмоток и деталей
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
27. Литейные оловянные бронзы
ГОСТ Марка Химический состав (основные элементы), % Вид литья кгс мм2 б. % НВ, мм2 Область применения
РЬ Zn Sn Ni | Си не менее
613-65 Бр.ОЦСНЗ-7-5-1 3.0— 6,0— 2,5— 0,5- Осталь- В кокиль 21 5 60 Арматура, работаю-
6,0 9,5 4.0 2,0 ное В землю 18 8 60 щая в морской и пресной воде, маслах, в водяном паре, под давлением до 25 кгс/см2; антифрикционные детали
613—66 Бр.ОЦСЗ-12-5 3,0— 6,0— 2,0— — То же В кокиль 21 5 60 Арматура^ работаю-
6.0 15,0 3,5 В землю 18 8 60 щая в пресной воде, в водяном паре под давлением до 25 кгс/см2; антифрикционные детали
613—65 Бр.ОЦС5-5-5 4,0— 4,0— 4,0— — В кокиль 18 4 60
6,0 6,0 6,0 В землю 15 6 60
613-65 Бр.ОЦС4-4-17 14,0— 2,0— 3,5— — В кокиль — — — Антифрикционные детали
613—65 <* Бр.ОЦСЗ,5-7-5 20,0 3,0— 6,0 6,0— 5,0 3,0— В землю В кокиль 15 18 5 4 60 60
6,0 9,5 4,5 В землю 15 6 60
493—54 Бр.СЗО 27—33 — — В кокиль 3 5 14 Сальники
493—54** БрСН60-2,б 57—63 — — 6,6-1.0 То же 6 4 25 Вкладыши подшипников и другие антифрикционные детали
Медь, никель и их сплавы
28. Литейные безоловянные бронзы (ГОСТ 493—54**)
Бронза Химический состав * (основные компоненты), % Виды отливок °В’ кгс/мм2 б. % НВ
А1 Fe Мп N1 РЬ Си
БрАМц9-2л 8-10 — 1.5—2,5 — — Остальное В кокиль 35—45 18—22 70—90
БрАМцЮ-2 9—11 — 1,5—2.5 — — То же В кокиль и землю 45—55 10—14 100—120
БрАЖ9-4Л 8—10 2—4 — — — В кокиль В землю 35—45 45—55, 8—12 10—14 90—110 90—1'10
БрАЖМц10-3-1,5 9-11 2—4 1 — 2 — — В кокиль 45-55 10—14 110—130
БрАЖС7-1,5-1,5 6—8 3,5—5.5 — — 1 — 1,5 В землю 25—35 15—20 80—100
БрАЖН10-4-4Л 9,5—11 3,5—5,5 — 3,5-5,5 — В кокиль 55-65 3—8 160-180
БрАЖН 11-6-6 10,5—11,5 5—6.5 — 5—6,5 —- То же 55-65 1 — 3 240-260
БрСЗО — — — — 27—33 >6 >4 >25
БрСН60-2,5 — — — 2,25—2,75 57—63 >3 >5 >14
* Си — остальное.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
29. Оловянные деформируемые бронзы и температуры их обработки
Бронза Плотность, г/см3 Температура начала плавления, °C S S S о Теплопроводность, кал/(см«с«°С) Коэффициент линейного расширения а-10-«, 1/°С Е, кгс/мм2 ав’ кгс/мм2 б, % НВ Температура горячей обработки, °C Температура отжига, °C
БрОФ8-0,3 8,6 880 0,175 0,098 17,0 И 800 40—50 100—120' 55—65 1 — 2 90—100 180—240 — 600—650
БрОФ7-0,2 8,6 900 0,17 0.1 17,0 11 500 38—45 90—110 55—65 1 — 2 85—95 175—230 — 600—650
БрОФ6,5-0,4 8,7 995 0,16 0,17 17,1 11 200 30—45 70—80 60—70 7—10 70—90 170—220 700—800 600—650
БрОФ6,5-0,15 БрОФ4-0,25 8,8 8,9 1060 0,09 0,2 17,6 10 000 30—38 50—70 40—58 6—10 55—70 160—170 700—800 600—650
БрОЦ4-3 8,8 1045 0,09 0,2 18,0 12 400 30-40 50-60 35-45 3-6 50—70 150—170 700—800 550—650
БрОЦС4-4-2,5 8,9 1018 0,09 0,2 18,2 7 500 30—35 55—65 35—45 2—4 50—70 150-170 — 550—650
БрОЦС4-4-4 9,1 1015 0,09 — 18,1 7 200 32—36 50—60 30—40 1 — 2
Примечав и е. В числителе данные для мягкого (отожженного), в знаменателе — для твердого состояния.
-Медь, никель и их сплавы
30. Деформируемые безоловянные бронзы
Бронза Плотность i г/см3 Температура начала плавления, °C .Я я а я О Теплопроводность, кал/(см-С‘°С) Коэффициент линейного расширения а-Ю”в, 1/°С Е, кгс/мм* ав‘ кгс/мм’ б, % НВ Температура горячей обработ- ки, °C Температура отжига, °C
БрА5 8,2 1060 0,10 0,25 15,6 12 000 36—44 1 70—80 1 60-70 4-6 55-65 190—210 750—850 600—700
БрА7 7,8 1040 0,11 0,19 17,8 12 000 44-50 95—103 65-75 2—4 65-75 200—220 750—850 600-700
БрАМц9-2 7,6 1060 0,11 0,17 17,0 9 200 40—50 60—80 20—40 4-5 110—130 160—180 750—850 650-750
БрАЖ9-4 7,5 1040 0,12 0,14 16,2 11 600 40—50 50—70 35-45 4—6 100—120 160—200 — —
БрЖМцЮ-3-1,5 7,5 1045 0,19 0,14 16,1 10 000 40—50 60—70 20—30 9—12 125-140 160—200 750—850 650—750
БрАЖН10-4-4 7,5 1084 0,19 0,18 17,1 11 500 45—55 75-83 35—45 9—15 130—150 180—220 800—900 700—750
БрБ2 8,2 955 0,07 0,20 16,6 13 100 * 40—60 ** 60—95 40—50 2-4 130—150 350 •* 750—800 530-650 790 •» 320
БрБНТ1,9 8,3 860 0,09 0,24 16,5- 13 000 2 40-60 ♦> 60-90 30-50 1—3 120—140 340 ♦* 700-800 530—650 780 *3 320
438 Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Продолжение табл. 30
Бронза Плотность, г/см’ Температура начала плавления, °C р, Ом-мм2/м Теплопроводность, кал/(см-с-°С) Коэффициент линейного расширения аЛ0~в, 1/°С Е, кгс/мм2 кгс/мм2 б, % НВ Температура го- < рячей обработ- ки, °C. ; t Температура от- I жига, °C ! $
БрБНТ 1,7 8,2 865 0,09 0,23 17,0 12 800 *2 40—50 80-120 650-700 780 300 •»
60—90 150 — 240*2
БрМц5 8,6 1047 0,20 0,26 20,4 10 500 30—36 50-60 35—45 150-170 70—90 150-170 750—850 800 ♦« 300 ♦»
БрКМцЗ-1 8,4 — 0,25 0,11 18,0 11 500 35-40 65-75 50—60 6—8 70-90 150—170 750—850 700—750
БрКН 1-3 8,8 1084 0,05 — 18,0 — 40—45 50—60 25-30 6-8 80—100 150—200 800—910 840 ♦’ 450 *’
БрКд 1 8,9 1076 0,02 0,82 — — 26—34 50—60 35—45 1,5—3,0 50-70 95-115 750-800 950-1000
БрХ0,7 8,9 1084 0,02 0,80 — 13 800 ** 22—25 45—50 25-35 4,6 50-70 130-140 850—950 1000 *’ 450 *’
W1 В числителе данные для мягкого состояния, а знаменателе для твердого состояния. • * Значения после закалки с 790° С и старения при 320° С. • • Температура закалки. * 4 Значения после закалки с 1000° С, деформации и старения при 450° С. • • Температура старения.
Медь, никель и их сплавы
440
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
31. Плоский прокат из бронзы
Полу-фабри-кат Состояние Бронза ГОСТ Толщина, мм Ширина, мм Длина,-мм
Полосы Горя-чека-таные БрАМц9-2 БрОФ6,5-1,5 БрОЦ4-3 БрКМцЗ-1 БрБ2 БрОЦС4-4-2,5 БрА7 БрКМцЗ-1 БрБ2 БрБНТ1,9 БрБНТ1,7 БрОЦС4-4-2,5 БрАМц9-2 1595-71 1761 — 70* 4748—70* 1789—70 15885-70 1048—70* 4748—70* 1,0—22,0 1,0—10,0 1,0—10,0 0,15—6,0 1,58—3,0 0,1 —2,0 0,05—2,0 50—300 40-300 40—300 40—300 50-200 10—300 10-300 1000— 1500 400— 2500 400— 1600 200— 1500 >1 500 >10 000 >2 000
Холоднокатаные
Ленты
1789—70* 0,02 — 6,0 10—300 >2 000
15885—70 1595-71 1,0—3,0 0,4-1,0 10—200 10-300 >5 000 >4 000
32. Круглый прокат из бронз
Полуфабрикат Состояние Бронза ГОСТ Наружный диаметр, мм Длина, мм
Трубы Прес-сован-ные БрАЖМцЮ-3-1,5 БрАЖН10-4-4 1208—73 42— 300 * 500—4000
Прутки круглого, квадратно-и шестигранного сечения То же Тянутые ♦♦ БрАМц9-2 БрАЖ9-4 БрАЖМцЮ-3-1,5 БрАЖН 10-4-4 БрКМцЗ-1 БрКНЬЗ БрОЦ4-3 БрБ2 1628—72 5-160 500—5000
» 6511—60 15835—70 5—120 5—100 1000—4000 700—4000
Прутки круглого и квадратного сечения Проволока Тянутая БрОФ6,5-1,5 БрОФ7-0,2 БрОЦ4-3 10025—62 5221 — 72 6—110 0,1 — 12,0 700—5000
То же БрКМцЗ-1 БрБ2 5222—72 15834—70 0,1 — 10,0 0,06- 12,0
* Толщина стенки 5—50 мм. * * Круглого сечения прессованные и тянутые.
Медь, никель и их сплавы
441
Медно-никелевые сплавы
Рис.
свойств меди о-никеле вых сплавов от химического состава
13. Зависимость характеристик
Медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является никель, называют медно-никелевыми сплавами.
Отличительной особенностью этой группы сплавов является их высокая коррозионная стойкость и особые электрические свойства, зависящие, как и прочность, от содержания никеля (рис. 13).
По назначению медно-никелевые сплавы можно разделить на конструкционные и электротехнические. К первой группе относятся высокопрочные и коррозионностойкие сплавы типа мельхиор, нейзильбер и куниаль. В качестве дополнительных легирующих элементов в них добавляют алюминий, марганец, цинк и железо. К медно-никелевым сплавам можно отнести также твердый припой марки МНЖКТ 5-1-0,2-0,2. Введение алюминия в медно-никелевые сплавы делает их диспер-сионно-твердеющими (сплавы куниаль) и повышает коррозионную стойкость.
Цинк сообщает медно-нике-левым сплавам серебристый цвет и снижает их стоимость. Добавки железа и марганца к конструкционным медно-никелевым сплавам увеличивают их стойкость против ударной коррозии. Мельхиор и нейзильбер хорошо деформируются.
В группу электротехнических входят сплавы типа ТП
и ТБ, а также копель, константан и манганин, обладающие повышенным •электросопротивлением и определенными термоэлектрическими свойствами. Из сплавов ТП и ТБ изготовляют компенсационные провода для термопар. Копель и константан могут быть использованы для термопар и реостатов. Константан, обладающий низким температурным коэффициентом электросопротивления (ТКС) и повышенной тензочувствительностыо, применяют для тензорезисторов. Манганин, имеющий почти нулевой стабильный ТКС и малую Т-ЭДС в паре с медью, используют для изготовления прецизионных резисторов.
Добавки марганца и железа в электротехнические сплавы существенно меняют их электросопротивление и ТКС.
Медно-никелевые сплавы хорошо свариваются и паяются (кроме тех, в которых содержится алюминий) твердыми и мягкими припоями.
Состав, физические и некоторые технологические свойства медно-никелевых сплавов приведены в табл. 33—35.
В машиностроении применяют плоский и, круглый прокат из медно-никелевых сплавов (табл. 36 и 37).
33. Химический состав (%) и назначение медно-никелевых сплавов (ГОСТ 492—73)
Сплав Марка Ni Мп Fe Другие легирующие элементы Си Назначение
Мельхиор МНЖМц30-0,8-1 29,0—33,0 0,6-1,0 0,6—1,0 Для конденсаторных труб и труб термостатов
То же МН 19 18,0—20,0 — — Остальное Для деталей машин, медицинского инструмента, сеток, деталей точной механики, бытовой посуды, химической аппаратуры
Нейзильбер МНЦ15-20 13,6—16,5 — — 18,0— 22,0 Для деталей приборов, электромашин и радиоаппаратуры, медицинского инструмента, арматуры и посуды
Нейзильбер свинцовистый МНЦС16-29-1.8 16,0—16,5 — — РЬ 1,6—2,0; Zn остальное 61,0 — 65,0 Для деталей часов и приборов
Куниаль А Куниаль Б МНА13-3 МНАб-1,5 12,0—15,0 6,5-6,5 — — А1 2,3—3,0 А1 1,2—1,8 Остальное Для деталей машин повышенной прочности Для пружин и других изделий электротехнической промышленности
ТП МН 0,6 0,67—0,63 — Для компенсационных проводов платино-платино- родиевых термопар
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Продолжение табл. 33
Сплав Марка N1 Мп Fe Другие легирующие элементы Си Назначение
ТБ Копель Константан Манганин То же Сплав МН 16 МНМц43-0,5 МНМц40-1,5 МНМцЗ-12 МНМцАЖЗ-12-0,3-0,3 МНЖКТ5-1-0,2-0,2 МНЖБ-1 15,3—16,3 42,5—44,0 39,0—41,0 2,5—3.5 2,5-3,5 5,5—6,5 5,0-6,5 0,1-1,0 1,0-2,0 11,5—13,5 11,5—13,5 0,3—0,8 0,3—0,8 0,2—0,5 1,0—1,4 1.0-1,4 А1 0,2—0,4 Ti 0,1 —0,3; Si 0,15—0,3 Остальное Для компенсационных проводов к термопаре платина-золото Для термопар и компенсационных проводов, для точных электросопротивлений Для реостатов, термопар, нагревательных приборов с рабочей температурой до 500° С, для тензорезисторов Для электротехнических измерительных приборов и сопротивлений Для катушек точных электросопротивлений В качестве твердого припоя для сварки, наплавки и пайки Для компенсационных труб и сварных конструкций в судостроении
Медь, никель и их сплавы
2 2 2 2 • 2 ; 2 • 5
X X I х : х : х : X
э □> > > — = В 3 * п
». л о о — ( ? 1 \D < 0 л о э J= со о я ь 0> а
< э
DO < X
D0 D0 D0 DO ( X ( X с X
0 Ч Л X Ч С © с 0 Плотность, г/см3
Л
о —. — — О — ND Температура
D0 $*• Л О Э О ( о < X С э < 0 с э < л э плавления, °C
Коэффициент ли-
ООО нейного расши-
х рения <х-10-в.
1/°С
э < э < э с э
3 О ND X 00 ND р, Ом мм2/м
—
о с Э О О Температурный
Э с Э < э о коэффициент
3 ООО ез о — электросоп роти в-
ND С О ND ления (при 20° С),
1/°С
< о < Э О О Теплопровод-
< X 1 | | | | 1 < ЭОС э ность,
с л 1 00 СО 00 СЛ ND <0 кал/(см-с«°С)
1 с : । 1 1 4 5 4 0 4 0 2 7 Е, кгс/мм2
< э < э с Э О О
с Э < Э О О С 3
СО ND О СО <0 со о со о 4ь. СЛ СО СЛ со
ОС 4^ СЛ О О 00 о сл о О О О СЛ сл
1 1 1 1 1 k -1 1 1 1 1 1 ов, кгс/мм2
4^ СО -q 4>- С0 4». О 4ь- О
1 01 о сл СЛ СЛ ~Ч о СЛ ND СЛ о О СЛ сл
со СО 4^. со
СО ND 4>- О ND о nd О кэ о со сл со о
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 б, %
о 4N О 4ь> 4». СО сл сл 4b. Сл сл
О о сл СЛ о о о
00 00 <0 < X < 0 < X
ООО ООО 1 э < о < э < э < л э Температура го-
1 1 1 1 1 1 рячей обработ-
<о с© — < © — < 0 ки, °C
со о о ч < э < X
ООО < о < X < э
о < э
<0 C0
О о
СП о о ч < X
о ( О < э < э с л
о 1 * 1 о < 1 э < 1 1 э с 1 1 э 1 Температура от-
сл сл 1 1 1 1 1 1 1 жига, °C
о о М СХ
о о о < Л С Л ( X «—
о э < э < э < э
34. Медно-никелевые сплавы
пати} n nvvvwaw этатиогНш n этшэе'ц
ti't'
Продолжение табл. 34
Сплав Плотность, г/см3 Температура плавления. 'С Коэффициент линейного расширения, а-10”®, 1/°С 2 *2 ”2 О Температурный коэффициент электросопротивления (при 20° С), 1/°С Теплопроводность, кал/(см-с-°С) Ef кгс/мм2 ов, кгс/мм2 6, % Температура горячей обработки, °C Температура от-жига, °C
МН 16 9,02 1170 15,3 0,223 0,0027 — 8 000 30—38 50—60 25—35 4—6 950—1030 700—780
МНЖб-1 8,7 1120 16,4 0,07 0,0015 0,31 —• 22—26 40—50 50—60 5—10 900—1000 600-650
МНМц43-0,5 8,9 1290 14,0 0,49 0,00014 0,058 12 000 38—46 60—70 35—42 3—4 1000—1150 800—850
МНМц40-1,5 8,9 1260 14,4 0,48 0,00002 0,05 16 600 38—48 62—72 25-30 2^3 1000—1150 800—850
МНМцЗ-12 8,4 1010 16,0 0,435 0,00003 0,052 12 650 40—55 80—90 30-35 2 — 4 750—850 700—750
• Температура закалки. •• Температура отпуска.
Примечая и е. В числителе данные для мягкого состояния, в знаменателе — для твердого состояния.
Медь, никель и их сплавы
446
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
35. Электрические и термоэлектрические свойства константана (МНМц40-1,5) и копеля (МНМц43-0,5)
Температура, Удельное электросопротивление при 20° С, Ом мм’/м Температурный коэффициент электросопротивления а-10~в, 1/°С Термоэлектродвижущая сила в паре с платиной при температуре холодного спая 0° С, мВ
Константан Копель Константан Копель Константан Копель
0 0,483 0,504 - 0 0
100 0,482 0,497 20,6 120,0 —3,4 4-4,0
200 0,483 0,491 20,7 110,0 — 7,2 4-8.5
300 0,485 0,486 41,4 60,0 — 11,3 4-13,6
400 0,488 0,483 72,0 1.0 -15,5 4-18,6
500 0,497 0,483 112,5 40,0 — 19,9 4-23,8
600 0,503 0,485 182,0 60,0 —24,5 4-27,7
700 0,509 0,488 129,0 80,0 —29,1 4-34,6
800 0,515 0,492 137,5 —33,7 4-40,2
36. Плоский прокат из медно-никелевых сплавов
Полуфабрикат Состояние Сплав ГОСТ Толщина, мм Ширина, мм Длина, мм
Полосы Ленты Горячекатаные Холоднокатаные То же МН19 МНЖМцЗО-1-1 МНЦ15-20 МН19 МНЦ15-20 МН19 МНМц40-1,5 5063—73 0,5— пхо 40-500 400—2 000
5187—70* 0,1 — 2,0 6—300 >5 000
1018 — 54 5189—75 0,28-0,50 0,1- 2,0 18—20 6—300 >1 500 >10 000
37. Круглый прокат из медно-никелевых сплавов
Полуфабрикат Состояние Сплав ГОСТ Наружный диаметр, мм Толщина стенки, мм Длина, мм
Трубы Проволока То же Тянутые Прессованные Тянутая То же МНЖМцЗО-Ы 10092—75 10—35 6—260 115 — 275 0,2— 5,0 0,02— 5,0 0,02— 6,0 0,2— 2,5 0,8-4,0 1 — 10 5—60 500— 6000 500— 5000
МНЖ5-1 17217—71
МНЦ15-20 МНМц40-1,б МНМц-3-12 МНМцАЖЗ-12-0,3-0,3 МН0,6 5220—71 5307—69 10155—62 1791—67
Медь, никель и их сплавы
447
Никель
Никель — прочный, высокопластичный, ферромагнитный металл, отличающийся высокой коррозионной стойкостью, повышенной температурой плавления, низкой упругостью пара и высокой каталитической способностью. Эти ценные свойства никеля обусловливают его широкое применение в машиностроении, электротехнике, приборостроении, медицинской аппаратуре и других отраслях техники.
Никель применяют в качестве антикоррозионных и декоративных покрытий, а также для фасонных отливок. Значительную часть никеля используют для изготовления сплавов и легирования сталей. Промышленность выпускает 6 марок металлургического (катодного) никеля, 4 марки полуфабрикатного никеля общего назначения и 3 марки анодного никеля (табл. 38). Металлургический никель поставляют в виде катодов, гранул, слитков, ронделей и порошков. Из полуфабрикатного никеля готовят листы, полосы, ленты, прутки, проволоку и трубы.
Анодный никель изготавливают двух видов: непассивирующийся — марки НПАН и обычный — марок НПА-1 и НПА-2. Преимущество непассивирующихся анодов — то, что они равномерно растворяются при электролизе без образования шлама.
Характеристики основных физико-механических свойств* температуры литья и обработки никеля
Кристаллическая решетка Кубическая гранецентри-
рованная
(а = 3,517 X)
Атомный номер 28
Атомная масса 58,69
Атомный радиус, А 2,49
Плотность, г/сма 8,9
Температура плавления, °C 1455
Температура кипения, °C .... 2990
Скрытая теплота плавления, кал/г 73,8
Скрытая теплота испарения, кал/г 1450
Электродный потенциал, В Упругость пара, мм рт. ст., при: 0,231
1175°С 1- ПТ*
1371°С 1-ПГ’
1510°С ПО"2
1679° С 1-IO"’
2730°С ... 760
Удельная теплоемкость, кал/(г-°С), при:
20е С 0,105
100° С 0,112
300° С 0,137
800° С . .... 0,148
Коэффициент линейного расширения а-10-*, 1/°С, при:
25 —100е С 13,3
25—300° С , , 14,4
25—600° С . . 15,5
25—900° С 16,3
Теплопроводность, кал/(см*с) (никель высокой чистоты), при:
20° С 0,22
100° С 0,198
200° С 0,175
300° С 0,153
400е С 0,142
500° С 0,149
448
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Удельное электросопротивление, Ом*мм2/м:
Ni > 99,95%
Ni >99,4% твердый никель мягкий никель .................................... ,
Температурный коэффициент электросопротивления а*10“8, 1/°С, при температурах 0—100° С:
Ni > 99,94%
Ni >99,4% мягкий никель твердый никель.......................
Мощность теплового излучения, Вт/см2, при: 740° С 830° С 900° С
1000° С
1100° С .............................
Поверхностное натяжение, дин/см, при 1455° С . Магнитострикция (никель поликристаллический) Точка Кюри, °C, при Ni > 99,94% Начальная магнитная проницаемость, Гс/Э, для никеля высокой чистоты: твердого . . полутвердого очень мягкого
Коэрцитивная сила, Э?
Ni > 99,94%
Ni >99,4% .......................
Намагниченность насыщения (при 20° С), Го Удельная электронная эмиссия, А/см2, при: 730° С
1230° С
НВ, кгс/мм2: после обжатия на: 70% 25% 12% ...........................
в горячекатаном состоянии литого никеля.........
после отжига при 800® С
Предел прочности на растяжение, кгс/мм2, при: 17° С
— 196° С
— 253° С . .
Относительное удлинение, %, при: 17° С
— 196° С
—253° С
Относительное сужение, %, при: 17° С
— 196° С — 253° С Длительная прочность, кгс/мм2, при-700° С *
800° С ...............
Модуль Юнга, кгс/мм2, при’20° С ’ Модуль сдвига, кгс/мм2, при:
27° С 800° С
99,91% Ni .
Ni + 0,3% Mg
Ni + 0,7% Mg
Температура отжига, °C Температура литья, °C Температура горячей деформации °с
0,06844
0,09 0,087
6,7
4,6
4,7
1,0
1,5 2,0
3,0
4,6 1350 —32 10е 360—380
15 20-300 500—600
2,73 3,4 6100
2-10“•
220
180
150 90—120 100—150 80—90
45
63
79
35
46
48
77
89
69
1,0 0,4 —0,5 18 000 — 22 700
7300
4940
640
480
620
640
750 — 900 1500—1575 1250 — 800
88. Химический состав (%) металлургического полуфабрикатного й анодного никеля
Марка N1 + Со (не менее) Примеси (не более) Примерное назначение
Со с Mg А1 S1 Р S Мп Fe Си
Н-0 99.99 0,005 0,005 Никель 0,001 метал} 0,001 \урги чес 0,001 кий (ГС 0,001 )СТ 849 0,001 1—70) 0,001 0,002 0,001 Для анодов, полу-
Н-1 99,93 0,10 0,01 0,001 0,002 0,001 0,001 0,01 0,015 фабрикатов и никелевых сплавов высокой чистоты Для анодов, никеле-
Н-1у 99,93 0,10 0,01 0,001 *0,002 0,001 0,001 0,01 0,02 вых сплавов и полуфабрикатов Для пластичных вы-
Н-2 99.8 0,15 0,02 — — 0,002 — 0,003 — 0,04 0,04 соколегированных ни-
Н-3 99,6 0,7 0,1 0,03 0,6 келевых сплавов и сталей Для легирования
Н-4 97.6 0,7 0,15 — — — — 0,04 — — 1,0 стали, твердых сплавов
НП1 99,9 0,01 Нике. 0,01 ль полус фабрика 0,03 тный ( 0,001 ГОСТ 4 0,001 192 — 73) 0,002 0,04 0,015 Для изделий маши-
НП2 99,5 0,10 0,10 0,15 0,002 0,005 0,05 0,10 0,10 ностроительной и при-
НПЗ 99,3 0,15 0,10 0,15 0,015 0,20 0,15 0,15 боростроительной промышленности, химической аппаратуры Для деталей маши-
НП4 99,0 0,20 • 0,10 — 0,15 — 0,015 0,20 0,30 0,15 ностроения неответ-
НПАН * 99,4 Нике. ль анод 0,03 ный (ГС )СТ 492 0,002— — 73) 0,10 0,Ol- ственного назначения В качестве непасси-
НПА1 99,7 0,02 0,10 0,03 0,1 0,005 0,10 О. 10 0,10 вирующихся анодов для .электролитических покрытий Для электролити-
НПА2 99,0 — 0,10 0,10 — 0,2 — 0,005 — 0,25 0,15 ческих покрытий
Медь, никель и их сплавы
Продолжение табл. 38
Марка Ni + Со (не менее) Примеси (не более) Примерное назначение
Zn As Cd Sn Sb РЬ В1
Н-0 99,99 0,0005 Ник 0,0005 ель металл 0,0003 ургический 0,0003 (ГОСТ 84$ 0,0003 70) 0,0003 0,0003 Для анодов, полу-
Н-1 99,93 0,0008 0,001 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 фабрикатов и никелевых сплавов высокой чистоты Для анодов, никеле-
Н-1у 99,93 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 вых сплавов и полуфабрикатов Для пластичных вы-
Н-2 99,8 0,005 — — — — — —— соколегированных ни-
Н-3 99,6 . . келевых сплавов и сталей Для легирования
Н-4 97,6 — — •— — •— — стали, твердых сплавов
НП1 99,9 0,005 Нике 0,001 ль пол у фоб, 0,001 рикатный 0,001 (ГОСТ 492 0,001 -73) 0,001 0,001 Для изделий маши-
НП2 99,5 0,007 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 ностроительной и при-
НПЗ 99,3 боростроительной промышленности, химической аппаратуры Для деталей маши-
НП4 99,0 — — — •— ностроения неответ-
НПАН • 99,4 Никель а нс \дный (ГОС ’Г 492 — 73, ) ственного назначения В качестве непасси-
НПА1 99,7 вирующихся анодов для электролитиче- ских покрытий Для электролити-
НПА2 •99,0 — — — — — — — ческих покрытий
• Легирующая добавка — 0,03—0,3% о2.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Медь, никель и их сплавы
451
Характеристики механических, электрических и термоэлектрических свойств никеля приведены в табл. 39, 40.
39. Характеристики механических свойств никеля при комнатной и низких температурах
Характеристика Температура, °C
4-17 —196 -253
Предел прочности при растяжении, кгс/мм2 45 63 79
Относительное удлинение, % 35 46 48
Относительное сужение, % . . 77 89 69
40. Характеристики электрических и термоэлектрических свойств никеля
Температура, °C Удельное электросопротивление при 20° С, Оммм2/м Температурный коэффициент электросопроти вле-ния, 1/°С Т-ЭДС в паре с платиной при температуре холодного спая (0° С), мВ
0 100 200 300 400 500 600 70U 800 900 1000 0,082 0,120 0,175 0,258 0,330 0,370 0,405 0,440 0,473 0,510 0,550 0,00463 0,00458 0,00322 0,00279 0,00121 0,00095 0,00087 0,00075 0 — 1,85 — 3,43 — 4,86 — 5,77 —6,50 — 7,30 — 8,30 — 9,65
Примечание. Химический состав, %: 99,35 Ni; 0,13 Си; . 0,28 Fe; 0,17 Si; 0,20 Со: 0,04 С.
На рис. 14—22 показано, как механические и технологические свойства никеля зависят от его чистоты. Вредное влияние на прочность, пластичность и обрабатываемость давлением в горячем состоянии никеля оказывают нерастворимые примеси, такие, как сера (особенно), висмут, сурьма, цинк и свинец. Сера обычно находится в никеле в виде сульфида Ni3S2, образующего с ним эвтектику с температурой плавления 625° С. Эта эвтектика, располагаясь по границам зерен, вызывает горячеломкость никеля. Наличие в никеле высокой чистоты даже 0,002% S может привести к резкой потере пластичности никеля после отжига при температуре 600—800° С. Сера может попасть в никель как во время плавления, так и при нагреве заготовок перед горячей обработкой в серосодержащей среде. При нагреве в мазутных печах нельзя пользоваться топливом, содержащим более 0,5% серы.
Кислород, присутствующий в никеле в малых количествах в виде закиси никеля, не снижает механических свойств. Однако при нагреве
©
452
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
изделий из кислородосодержащего никеля в водороде или других восстановительных газах в них могут образоваться мелкие пузыри и трещины. Для предохранения от окисления плавку никеля ведут
Содержание
Рис. 14. Зависимость удельного электросопротивления никеля от содержания примесей
Рис. 16. Зависимость магнит-* ной индукции никеля от температуры
под защитным флюсом (чаще всего стекла) или в вакууме. Во время переплавки никеля его раскисляют и десульфурируют. Наиболее распространенные раскислители — углерод (0,03—0,1%), марганец (0,05—0,2%) и кремний (0,03— 0,15%).
А Ю 3 JUmax‘103
20 «о S/0 § 0 to
20
,30
О 10 20 30 40 Н,3
Температура
Рис. 16. Зависимость начала ной максимальной магнитной проницаемости никеля от температуры
Рис. 17. Зависимость магнитострикции никеля от напряженности магнитного поля
Наилучший десульфуратор — магний (0,05—0,1%). Он не только образует с серой тугоплавкое соединение, но и является раскислителем.
Никель хорошо поддается любым видам сварки. Он легко паяется твердыми и мягкими припоями.
Медь, никель и их сплавы
453
Коррозионная стойкость никеля при комнатной температуре на воздухе, в пресной и морской воде, а также водных растворах ряда солей весьма велика. Она обусловлена защитным действием тонкой,
Температура
Рис. 18. Зависимость теплоем-. кости никеля от температуры испытания
Рис. 19. Зависимость характеристик ме* ханических свойств и электросопротивления никеля марки НП2 от степени дефора мации
плотной окисной пленки, образующейся на никеле. В атмосфере закрытых помещений стойкость никеля выше стойкости серебра, меди и латуней. Никель прекрасно сопротивляется коррозии щелочей, в том числе
Рис. 20. Зависимость характеристик механических свойств и электросопротивления никеля НП2 от тем** пературы отжига
Рис. 21. Зависимость характеристик механических свойств никеля НП2 от температуры испытания
в едком натре, едком кали любой концентрации. Он удовлетворительно стоек при комнатной температуре против действия растворов солей соляной, угольной, серной, азотной и уксусной кислот, разбавленных
454
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Рис. 22. Зависимость модуля упругости никеля от температуры испытания
органических кислот и других органических соединений, образующихся при производстве пищевых продуктов. Сухие газы — галогены, окислы азота, сернистый газ и аммиак — при комнатной температуре не действуют на никель. При умеренных температурах (до 300° С) никель не взаимодействует с ртутью и не образует амальгам. Зависимости электрических, магнитных и механических свойств и теплоемкости никеля от температуры и состояния материала пред-
ставлены на рис. 14—22.
Химический анализ никеля производят в соответствии с ГОСТ 13047.1—67, 13047.18—67* и 6012—67.
В машиностроении применяют плоский и круглый прокат из никеля (табл. 41, 42.)
41. Плоский прокат из никеля
Полуфабрикат Состояние Марка ГОСТ Толщина, мм Ширина, мм Длина, мм
Листы Горячекатаные, холоднокатаные НП2, НПЗ, НП4 6235—73 5—20 600—710 500— 2 000
Полосы То же НП2, НПЗ, НП4 6235—73 1 — 20 100—400 400— 2 000
Ленты Холоднокатаные НП1, НП2, НПЗ НП4, НК0.2 2170—73 0,05— 2,0 10—300 3 000
Аноды Горячекатаные НПА1, НПА2, НПАН 2132—58 4-12 10—250 400— 1 500
42. Круглый прокат из никеля
Полуфабрикат Состояние Марка ГОСТ Толщина, мм Диаметр, мм Длина, мм Другие размеры, мм
Трубы Прутки Проволока Аноды овальные Тянутые Тянутые, горячекатаные Тянутая Горячекатаные НП1, НП2 НП2, НПЗ НП2, НПЗ, НП4 НПАН 13548—68* 13083—67 2179—59 2132—58 0,40— 5,40 5—60 0,03— 12,0 0,05— 0,20 >400 1000— 4000 400— 1200 Овал 35Х 85
Медь, никель и их сплавы
455
Никелевые сплавы
Стандартные никелевые сплавы можно условно разделить на четыре группы: низколегированные для электротехнических целей, термоэлектродные (хромель, алюмель), коррозионностойкие (монель-металл) и жаростойкие (нихром и ферронихром). Легирующие элементы в этих четырех группах—алюминий, кремний, марганец, хром, медь и железо.
К жаростойким сплавам относятся нихром и ферронихромы.
Алюминий значительно изменяет термоэлектрические свойства никеля, повышает его электросопротивление, жаростойкость и существенно понижает температуру магнитного превращения никеля. Кремний главным образом повышает жаростойкость никеля. Марганец увеличивает его электросопротивление и жаростойкость, особенно в серосодержащей атмосфере. Хром в сильной степени повышает жаростойкость и жаропрочность никеля, увеличивает электросопротивление и снижает ТКС никеля. Медь повышает коррозионную стойкость и прочность никеля. Сплавы никеля с медью превосходят по коррозионной стойкости никель и медь. Сплав никеля с 30% меди монель отличается наиболее высокой устойчивостью на воздухе, в пресной и морской воде и многих агрессивных средах. Железо снижает температурный коэффициент линейного расширения никеля. Им можно частично заменить никель в жаростойких сплавах.
Следует помнить, что никелевые сплавы при высоких температурах не стойки в серосодержащей атмосфере. При нагреве во время горячей и термической обработки нельзя пользоваться мазутом и другим топливом, содержащим более 0,5% серы.
Никелевые сплавы хорошо свариваются. Сведения о составе, температурах литья, горячей и термообработке и свойствах приведены в табл. 43, 44, 45.
Термоэлектродвижущая сила в мВ (средние значения) термопар хромель-алюмель и хромель-копель при различных температурах холодного спая:
Температура Хромель- Хромель-ко-
испытания, °C алюмель пель
-50 — 1,86 -3,11
0 0 0
100 4,10 6,95
200 8,13 14,65
300 12,21 22,90
400 16,39 31,43
500 20,64 40,15
600 24,90 49,0
700 29,14 57,75
800 33,31 66,40
900 37,36
1000 41,31
1100 45,14
1200 48,85
Зависимость характеристик свойств нихрома Х20Н80 и ферронихрома Х15Н60 от температуры приведена в табл. 46.
В машиностроении применяют стандартные полуфабрикаты из никелевых сплавов: плоский прокат (табл. 47) и круглый прокат.
Круглый прокат поставляют в виде прутков тянутых и горячекатаных из сплава НК0,2 (ГОСТ 13083—67) диаметром 5—60 мм и длиной 1000 — 4000 мм, остальные сплавы — в виде проволоки диаметром 0,1 — 5 мм.
43. Химический состав (%4 и назначение никелевых сплавов
Наименование Марка А] Fe S1 Мп Сг Си N1 Примерное назначение
Никель кремнистый * Никель марганцевый * Никель марганцевый * Алюмель * Хромель Т * Хромель К * Монель * Нихром ** Нихром ** Ферронихром ** Ферронихром ** * По Г( * * По Г( НК 0,2 НМц2#5 НМц 5 НМцАК2-2-1 НХ 9,5 НХ 9,0 НМЖМц28-2,Б-1,5 Х20Н80 Х20Н80Н Х15Н60 Х15Н60Н ЗСТ 492—73. ЭСТ 12760 — 67*. । I II । । । Гр । । । 2—3 Остальное То же 0,15 0,85— 1.5 0,4—1.5 1 — 1,5 0,4—1.5 1,0—1,5 2,3—3,3 4,6—5,4 1,8—2,7 1,2—1,8 9—10 8,5— 10,0 20—23 20—23 15—18 15—18 27—29 Не менее 99,4 Остальное 55—61 55—61 Для свечей двигателей внутреннего сгорания. деталей электротехнических устройств и приборов Для свечей двигателей внутреннего сгорания, деталей радиоламп и др. Для термопар То же Для компенсационных проводов термопар Для деталей, работающих в агрессивных средах Для нагревательных элементов и деталей высокого омического сопротивления Для нагревательных элементов То же
Примечание. В состав алюмеля входит 0,6—1,2% Со.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
44. Основные (типичные) физико-механические свойства и температуры обработки никелевых сплавов
Сплав Плотность, г/см’ Температура плавления, °C р, Ом-мм’/м Температурный коэффициент электросопротивления, 1/°С Теплопроводность, кал/(см.с°С) Коэффициент ли- нейного расширения при 20—100° С а10-«. '/’С <ТВ, кгс/мм’ б*. % Температура горячей обработки, °C Температура отжига, °C
НК 0.2 8.9 1454 0,09 0,0051 0,140 13,6 21 700 40-50 40-50 1150—850 750—850
75-90 3—5
НМц 2,5 8.9 1440 0,14 0,0042 0,127 13,4 21 000 45-50 35-50 1200—900 800—900
90—100 2 — 4
НМц 5 8.8 1410 0,20 0,0036 0,115 13,7 21 000 50—55 40—45 1200—900 800—900
95—105 3-5
НМцАК2-2-1 8.5 1440 0,32 0,0026 0,06 13,5 18 200 50-60 35—50 1250—1000 900—950
100—110 2-5
НХ 9,5 8,7 1435 0,65 0,00048 12,8 60—70 35—50 1200—1000 800—900
100—110 2—5
НМЖМц28-2,5-1.5 8.8 1350 0,43 0,006 0,06 14,0 18 200 50—60 30-50 1170 — 920 870—950
70—85 3—5
Х20Н80 8,4 1400 1,08 0,00022 17,6 21 790 60—70 40—50 1250—1000 870—1040
110—125 2—3
Х15Н60 8,4 1390 1,1 0,00013 0,033 16,0 21 800 60—70 26 — 32 1100—1000 750—850
115—125 0,5—1,0
Примечание. В числителе данные для легкого состояния после отжига, в знаменателе — для твердого состояния после холодной деформации.
Медь, никель и их сплавы
сл
458
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
45. Зависимость электрических и термоэлектрических свойств хромеля НХ9,5 и алюмеля НМцАК2-2-1 от температуры
Температура, °C Удельное электросопротивление, Оммм’/м Температурный коэффициент электросопротивления а-10“®, 1/°С Термоэлектродвижущая сила (мВ) в паре с платиной при температуре холодного спая 0° С
Хромель | Алюмель Хромель | Алюмель Хромель Алюмель
0 0,612 0,25 0 0
100 0,642 467 400 - из,о — 1,20
200 0,672 — 411 -6,2 — 1,98
300 0,700 357 -9,55 — 2,68
400 0,725 276 — -12,95 — 3,46
500 0,745 228 -16,30 — 4,31
600 0,762 236 -19,70 — 5,17
700 0,780 230 -23,05 -6,03
800 0,798 228 -26,25 — 6,93
900 0,817 220 -29,45 — 7,78
1000 0,835 — — — Н32,5 — 8,63
46. Зависимость характеристик электрических и термоэлектрических свойств нихрома Х20Н80 и ферронихрома Х15Н60 от температуры
Темпера-тУРа' Удельное электросопротивление при 20° С, Ом-мм*/м Температурный коэффициент электросопротивления а-10“®, 1/°С Термоэлектродвижущая сила в паре с платиной при температуре холодного спая 0° С, мВ
Ферронихром Нихром Ферро-нихром Нихром Ферронихром Нихром
20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1,120 1,135 1,149 1,163 1,176 1,181 1,181 1,184 1,192 1,207 1,234 1,08 1,09 1,10 1,12 1,13 1.14 1,13 1,13 1.14 1,15 1,16 134,0 123,0 122,0 112,0 42,5 0 25,4 67,5 126,0 224,0 80,0 100,0 110,0 110,0 100,0 80,0 60,0 60,0 70,0 70,0 4-1715 + 2,60 + 4,33 + 6,20 + 8,23 + 10,48 + 12,93 + 15,54 + 18,28 + 21,20 1J5 18?2 <
47. Плоский прокат из никелевых сплавов (холоднокатаный)
Полуфабрикат Марка ГОСТ Основные размерыf мм
Толщина | Ширина Длина
Плоский прокат Полосы Ленты > НМЖМц28-2,5-1,5 НМЖМц28-2,5-1,5 НК 0,2; НК 0,4 5063-73 5187—70* 2170—73 0,5—10,0 0,1 —2,0 0,05—1,5 40—500 6—300 10—300 400—2000 >5000 >2500
Жаропрочные сплавы меди
459
ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ МЕДИ
Сплавы этой группы находят широкое применение в различных областях машиностроения и электротехники. Их используют в качестве электродов для контактной точечной, шовной и рельефной сварки, токопроводящих губок .установок стыковой сварки, проводников электрического тока, электрических контактов, коллекторных пластин, конструкционного материала различного типа теплообменников и др. Однако независимо от назначения сплавов они характеризуются общими принципами определения состава, многих параметров технологии изготовления полуфабрикатов, режимов термической обработки.
Рис. 23. Влияние температуры отжига (1 ч) на предел прочности меди и медных сплавов (испытания проволоки 0 1 мм):
1 - Си; 2 — Си —Ag (0,09% Ag); 3 — МК; 4 — Си —Mg (0,1% Mg);
5 __ Си —Zr (0,2% Zr); 6 — БрХ; 7- БрХЦр; в- МКБ; 9 — БрНБТ;
10 — БрНХК
Сплавы этой группы по составу, а следовательно, по методам упрочнения разделяют на две группы: сплавы, упрочняемые деформацией, и дисперсионно-твердеющие сплавы. К сплавам первой группы относятся сплавы систем Си—Ag, Си—Cd, Си—Mg и некоторые другие. Однако только первые из них находят широкое применение в изделиях, которые подвергаются нагреву до температур более 200° С в процессе изготовления или эксплуатации изделий. Сплавы второй группы наиболее широко используют в промышленности, так как они существенно превосходят по свойствам сплавы первой группы.
Состав и области применения основных сплавов приведены в табл. 48. Все указанные сплавы выплавляют в печах различного типа (открытых, вакуумных, вакуумно-компрессионных). Режимы обработки полуфабрикатов из них приведены в табл. 49. В табл. 49 и 50 приведены характеристики основных физических и механических свойств сплавов после оптимального режима обработки каждого сплава (для сплава медь—кадмий — холодная деформация с обжатием на 50%, для диспер-сионно-твердеющих сплавов — закалка на пересыщенный твердый раствор, холодная пластическая деформация с обжатием 40—60% и старение). Применение для сплавов последнего типа только закалки и старения снижает уровень механических свойств. На рис. 23, 24, 25 показаны зависимости предела прочности ов от температуры отжига, изменения модулей нормальной упругости и коэффициентов линейного расширения всей группы сплавов от температуры, влияние степени деформации на механические свойства. В табл. 50 и на рис. 23 показано, что свойства сплавов существенно зависят от их состава. Однако некоторые свойства определяются основой — медью и сравнительно слабо
43. Химический состав * (%) и основное назначение жаропрочных медных сплавов
Сплав Cd Zr Сг Со Be Ni Ti Si Основное назначение
МК 0,9— 1.2 — — — — — — — Для электродов контактной точечной и шовной сварки легких сплавов, коллекторов электродвигателей
МЦрО.З — 0,2—0.5 — *— — —• — — Для коллекторов высоко-
БрЦрО,2 0.1 —0,3 нагруженных и высокоскоростных двигателей, различных деталей радиотехники
БрХ — — 0.4—1.0 — — — — — Как конструкционный материал для различных теплообменников, для электродов контактной сварки углеродистой стали
БрХЦр — 0,03-0,08 0.4-1,0 — — — — — Для электродов контактной точечной и шовной сварки углеродистой стали
МКБ2.5-0.5 2,3— 2.7 0.4—0.7 Для электродов рельефной сварки и сварки толстолистовых изделий из углеродистой стали
БрНБТ 0,2—0,4 1.4—1,6 0,05— 0,15 Для деталей машин стыковой сварки, электродов для сварки нержавеющей стали и жаропрочных сплавов
БрН ХК2.5-0.7-0.6 * Си — осталып эе. 0,5—1,0 2.0—2,8 0,5— 0.9 Для формирующих и электродных колец трубосварочных станов
Примечан и е. Содержание примесей строго лимитируется только в малолегированных сплавах, где они
могут особенно ощутимо повлиять на тепло- и электропроводность. Например, в сплаве БрХЦр допускается (не более):
РЬ — 0,003%: Sn — 0.01%; Zn — 0.01%; Ni — 0.03%; вах БрНБТ, БрНХК сумма примесей ограничивается : As — 0.01%: Bi - 0.7% - 0,002%: сумма примесей — 0,1%. В спла-
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
49. Основные режимы обработки, типы полуфабрикатов и контролируемые свойства сплавов промышленного изготовления
Основные режимы обработки, типы выпускаемых полуфабрикатов, контролируемые свойства Сплавы
мк БрХ Си—Zr БрХЦр МКБ БрНБТ БрНХК
Температурный интервал горячей деформации (прокатка, прессование, ковка), °C 900—650 950—700 900—700 900—700 950—750 950-800 950—750 /
Температура отжига (время отжига 1 — 2 ч *), °C 500 650 700 700 700 750 750
Температура нагрева под закалку (время выдержки перед закалкой 1 — 2 ч *, охлаждение в холодной воде), °C — 980-1000 940-960 940—960 970—990 960—980 980—1000
Температура старения (время старения 2—4 ч ♦), °C — 440—460 440—460 450—470 465—485 470—490 450—470
Типы выпускаемых полуфабрикатов Прутки, коллекторные полосы Прутки, полосы, плиты, коллекторные полосы, трубы Полосы, коллекторные полосы, лента Прутки, полосы, плиты Прутки, полосы, плиты Плиты, литые цилиндрические заготовки Плиты
Гарантируемый уровень контролируемых свойств
Твердость НВ, кгс/мм* (не менее) 80-110 ♦♦ 100-120 ♦♦ 100—115 ♦* 100— 130 *♦ 180 170 170
Электропроводность, % к электропроводности меди МО (не менее) 75-82 80 89-95 ♦♦ 80 45 45 40
* В зависимости от массы изделия. ** В зависимости от типа полуфабриката.
Жаропрочные сплавы меди
462
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
50. Характеристики физических и механических свойств жаропрочных сплавов на медной основе
Характеристика □ О МК Си—Zr БрХ БрХЦр МКБ БрНБТ БрНХК
Твердость НВ, кгс/мм’ (при 20° С), после: холодной деформации
на 50% ...... 100 120 115 115 ПО 140 150 150
отжига 45 50 60 60 65 80 80 80
холодной закалки, де-
формации и старения 120 125 140 230 240 240
закалки и старения — — 80 100 НО 180 180 200
Электропроводность, % к электропроводности
меди МО (20° С) .... 100 75 90 80 85 50 45 50
Плотность, г/см’ (20° С) 8,94 8,92 8,93 8,92 8,92 8,78 8,83 8,85
Теплопроводность,
кал/(см* G* °C) . . . . . . Температура начала раз- 0,93 0,71 0,82 0,75 0,78 0,47 0,42 0,45
упрочнения, °C .... 150 300 550 450 500 500 500 500
Предел прочности ав в (кгс/мм2) при температуре, °C:
20 . . . 25 42 40 45 50 78 85 80
300 . ... 15 31 32 37 39 63 69 65
400 . ... 11 22 30 33 35 55 60 58
500 . ... 8 14 25 28 30 42 50 47
600 5 8 20 18 25 23 25 27
Условный предел текучести О0,2 (кгс/мм2) при температуре, °C:
20 16 40 37 42 45 76 84 78
300 10 28 31 36 37 62 68 63
400 7 19 29 32 34 54 59 57
500 5 И 24 27 29 41 50 46
600 2 5 19 17 24 20 24 26
Относительное сужение ф(%) при температуре, °C:
20 ... 90 81 69 69 84 22 10 52
300 37 74 68 37 82 13 8 45
400 43 82 68 27 82 11 5 34
500 86 95 70 20 82 21 3 14
600 100 96 72 32 81 76 10 33
Удельное электросопротивление р (мкОм* см) при температуре, °C: 3,50
20 1,72 2,31 1,93 2,13 2,04 3,46 3,92
200 ... 2,98 3,42 3,20 3,28 3,23 4,66 5,10 4,70
300 ... 3,62 4,17 3,87 3,92 3,82 5,36 6,07 5,46
400 . . . 4,24 4,87 4,54 4,58 4,52 6,14 6,52 6,18
500 ... 5,07 5,60 5,34 5,27 5,34 7,05 7,65 7,22
600 .... 5,84 6,56 6,12 6,07 6,02 8,25 8,72 8,64
Кратковременная (30 с) горячая твердость HV, кгс/мм2:
400 35 94 95 97 112 170 190 180
500 19 31 65 76 102 112 125 120
600 12 13 40 51 73 65 80 87
Жаропрочные сплавы меди
463
Продолжение табл. 60
Характеристика
Длительная (1 ч) горячая твердость HV (кгс/мм2) при температуре, °C: 400 500 600 ..............
Ударная вязкость ан (кгс- м/см2) при температуре, °C: 20 300 400 500 600
25
10
7
17
14
14
13
8
56
17
9
16 17
17 15 13
77
55
32
20
21
22
18
16
75
45
33
22
21
20
17
15
91 120 130 125
62 88 95 95
36 40 50 55
24 3 3 9
22 4 3 9
22 4 2 8
18 4 1 11
16 6 2 12
Примечания. 1. Образцы для механических испытаний изготавливались из прутков о 12—16 мм.
2. Свойства приведены после обработки по оптимальному для каждого сплава режиму.
зависят от изменения состава, например, температурные коэффициенты удельного электросопротивления, теплопроводности, линейного расширения (рис. 24, а), теплоемкости и модуля упругости (рис. 24, б). Также
Рис. 24. Зависимость коэф* фициентов линейного рас-< ширения (а) и модулей упру* гости (б) меди и жаропроч*
мало зависят от состава коррозионная стойкость, жаростойкость и, наконец, характерное для данной группы сплавов
Рис. 2 5. Влияние степени пластической дефор-* мации на механические свойства меди и жа* ропрочных сплавов меди
ных медных сплавов от тем* пературы испытаний
меди жаропрочные сплавы
повышение механических свойств при криогенных температурах. В отличие от меди не подвержены водородной болезни.
Поэтому термическую обработку и пайку этих сплавов можно прово-
дить в среде водорода.
464
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ*
Алюминий
Алюминий — химический элемент третьей группы периодической системы Д. И. Менделеева (табл. 51).
51. Химический состав (%) алюминия первичного (ГОСТ 11069—74)
Марка А1 (не менее) Fe Si Си Zn Т1 Всего
Особой чистоты
А999 | 99,999 | 1 - 1 1 - 1 - 1 1 - | 0,001
Высокой чистоты
А995 99,995 0,0015 0,0015 0,001 0,001 0,001 0,005
А99 99,99 0,003 0,003 0,003 0,003 0,002 0,010
А97 99,97 0,015 0,015 0,005 0,004 0,002 0,03
А95 99,95 0,030 0,030 0,010 0,005 0,002 0,05
Технической чистоты
А85 99,85 0,08 0,06 0,01 0,02 0,01 0,15
А8 99,80 0,12 0,10 0,01 0,04 0,02 0,20
А7 99,70 0,16 0,16 0,01 0,05 0,02 0,30
А6 99,60 0,25 0,20 0,01 0,06 0,03 0,40
А5 99,50 0,30 0,30 0,02 0,06 0,03 0,50
АО 99,00 0,50 0,50 0,02 0,08 0,03 1,00
А 99,00 0,80 0,50 0,03 0,08 0,03 1,00
АЕ 99,50 0,35 • 0,12 0,02 0,05 0,01 0,50
* Железа * — не менее 0,18%.
4 '♦ Сумма Ti + V 4- Мп 4- Сг.
Алюминий технической чистоты, применяемый для изготовления полуфабрикатов и изделий путем деформации, входит в ГОСТ 4784—65* (табл. 52).
52. Химический состав (%) алюминия технического деформируемого
Марка А1 (не менее) Примеси (не более) Сумма допустимых примесей (не более)
Fe S1 Си Мп Zn Т1 Mg Прочие
АД00 99,70 0,16 0,16 0,015 0,02 0,08 0,05 0,03 0,015 0,30
-АДО 99,50 0,30 0,30 0,02 0,025 0,1 0,1 0,05 0,02 0,50
АД1 99,30 0,30 0,30 0,05 0,025 0,1 0,15 0,05 0,02 0,70
АД 98,80 0,50 0,50 0,1 0,1 0.1 0,15 0,1 0,05 1,20
* В таблицах, где особо не оговорено, характеристики приведены по нижнему пределу.
Алюминий и его сплавы
465
Деформируемые алюминиевые сплавы
Коррозионностойкие свариваемые сплавы на основе систем А1—Мп и А1—Mg
Сплавы на основе этих систем не упрочняются термической обработкой.
I. Сплавы АМц на основе системы А1—Мп (табл. 53).
53. Характеристики механических свойств сплава АМц
Полуфабрикат Состояние материала °в, кгс/ммг %
Листу толщиной, мм: 0,5—0,7 0,8—3,0 3,1 — 10,0 0,5-3,5 3,6—10,0 0,6—0,8 0,9 —1,2 1,3-10,0 Отожженные 9,0—15,0 9,0—15,0 9,0—15,0 18 22 20
Полунагартован-ные >15,0 >15,0 5 6
Нагартованные >19,0 >19,0 >19,0 2 3 4
Прутки до 300 мм Без термической обработки 10,0—19,0 20
Трубы прессованные всех размеров Отожженные 10,0—17,0 —
Трубы катаные и тянутые Отожженные Нагартованные 9,0—14,0 >14,0 —
Профили прессованные Без термической обработки >17,0 16
Химический состав сплава АМц (%): 1,0—1,6 Мп; примеси (не более): 0,7 Fe; 0,6 Si, 0,2 Си; 0,2 Ti; 0,1 Zn; 0,05 Mg; остальное Al.
Сплав АМц деформируется в горячем и холодном состоянии. Для снятия нагартовки или повышения пластичности применяют отжиг при 350—410° С.
Коррозионная стойкость сплава (и сварного шва) высокая, почти такая же, как у чистого алюминия. Сплав хорошо сваривается всеми видами сварки. Обрабатываемость резанием неудовлетворительная.
Сплав АМц применяют для изготовления сварных баков, бензо-и маслопроводов, радиаторов автомашин и тракторов, посуды.
2. Сплавы на основе системы А1—Mg — магналии (табл. 54).
Сплавы АМг1, АМг2, АМгЗ, АМг4 хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии. Сплавы с содержанием Mg> 5% (АМг5, АМгб) деформируются плохо — быстро нагартовываются и требуют большого количества отжигов.
54. Химический состав (%) сплавов на основе системы
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Mg Мп Т1 Другие Fe Si Cu Zn Ti Прочие
Каждая Сумма
АМг! 0,5—1,8 — — — 0,05 0,05 0,01 — — 0,03 0,07
АМг2 1,8—2,8 0,2—0,6 — — 0,4 0,4 0,1 0,2 0,1 0,05 0,1
АМгЗ 3,2-3,8 0,3—0.6 — Si 0,5—0,8 0,5 — 0,1 0.2 0,1 0,05 0.1
АМг4 3,8—4,8 0,5—0,8 0,02—0,1 Сг 0,05—0,25 0,4 0,4 0.05 0,2 — 0,05 0.1
АМг5 4,8—5,8 0,5—0,8 0,02—0,1 — 0,5 0,5 0,1 0,2 — 0,05 0,1
АМг5П 4,7—5,7 0,2—0,6 — — 0.4 0,4 0,2 — — 0,05 0,1
АМгб 5,8—6,8 0,5—0,8 0,02—0,1 — 0,4 0,4 0,1 0,2 — 0,05 0,1
При 2. В < меч а н ия: 1. В сплавах АМг2 и АМг5П сумма :плавы АМг4, АМгб, АМгб вводят 0,0002 — 0,005% Fe + SI Be. 1 <0,6%.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Алюминий и его сплавы
467
Характеристики механических свойств полуфабрикатов из сплавов на основе системы А1—Mg приведены в табл. 55—58.
55. Характеристики механических свойств листов
Сплав Толщина листов, мм Состояние °В %,2 6, %
кгс/мм*
Не менее
АМг2 0,5-1,0 1,1 — 1060 Отожженные 17 17 — 16 18
0,5—1,0 1,1 — 10,0 Полунагартованные 24 24 — 4 6
0,5-1,0 1,1 — 10,0 Нагартованные 27 27 — 3 4
АМгЗ 0,8—4,5 4,6—10,0 Отожженные 20 19 10 8 15 15
0,5—5,0 5,1 — 10,0 Полунагартованные 24 22 20 18 7 6
АМг5 0,8—4,5 4,6—10,0 Отожженные 28 28 15 13 15 15
АМгб 0,8—10,0 1,5—10,0 Отожженные Нагартованные 32 38 16 28 15 6
56. Характеристики механических свойств прессованных прутков ( 0 до 300 мм)
Сплав Состояние прутков ав 1 а0,2 б, %
кгс/мм2
Не менее
АМг2 АМгЗ АМг4 АМгб АМгб Горячепрессованные Горячепрессованные ото- жженные .... Горячепрессованные Отожженные Отожженные 18 18 25 27 32 8 13 12 16 13 13 10 15 15
Типичные характеристики механических свойств проволоки из сплава АМг5П: ов = 27 кгс/мм2; о0,2 = 15 кгс/мм2; тСп = 19 кгс/мм2, 6 = 23%.
Сплавы на основе системы А1—Mg отличаются высокой общей коррозионной стойкостью, не склонны к коррозионному растрескиванию
468
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
67. Характеристики механических свойств прессованных профилей
Сплав Состояние профилей °в | %,2 С, %
кгс/мм’
Не менее
АМг2 АМгЗ Горячепрессованные 23 18 8 12 12
АМг5 АМгб Горячепрессованные или отожженные 26 32 13 16 15 15
и межкристаллитной коррозии (особенно в отожженном состоянии). Коррозионная стойкость сварных швов такая же, как и основного материала. Коррозионная стойкость сплава АМгб сильно зависит от технологии изготовления полуфабрикатов, главным образом от температуры отжига. Улучшение коррозионной стойкости возможно путем применения отжигов при температурах 265—285° С. Такой отжиг наиболее эффективен для нагартованного материала. Удовлетворительная коррозионная стойкость может быть получена после окончательного отжига при температуре 310—335° С.
Для дополнительной защиты деталей от коррозии следует анодировать их и наносить лакокрасочные покрытия. Заклепки из сплава АМг5П ставят только анодированными.
Сплавы хорошо свариваются аргонодуговой, контактной точечной и роликовой сваркой. В качестве присадочного материала применяют проволоку основного сплава (для сплава АМг2 — проволоку АМгЗ). Прочность сварных соединений равна 0,9—1,0 ов основного материала; пластичность сварных швов высокая.
Обрабатываемость резанием улучшается с увеличением степени легирования сплавов: сплавы АМг1 и АМг2 плохо обрабатываются резанием в отожженном состоянии и удовлетворительно в нагартован-ном; сплавы АМгЗ и АМг4 обрабатываются резанием удовлетворительно, а сплавы АМгб, АМгбП и АМгб хорошо.
Сплавы широко применяют в промышленности для изготовления сварных мало- и средненагруженных конструкций (в строительстве, судостроении, транспортном машиностроении и авиации); сварных емкостей, масло- и бензопроводов, штампованных изделий, посуды, бытовых предметов и т. п.
Коррозионностойкие сплавы на основе системы А1—Mg—Si
Химический состав сплавов приведен в табл. 59.
Сплавы упрочняются термической обработкой по следующим режимам:
закалка (нагрев при t= 515ч- 525° С, охлаждение в холодной воде), естественное старение при комнатной температуре примерно в течение 10 сут.;
закалка, искусственное старение при температуре 160—170° С в течение 10—12 ч.
68. Характеристики механических свойств поковок и штамповок
Сплав Вид изделия Масса, кг Вдоль волокна Поперек волокна НВ
°в а0.2 6. % по ширине по толщине
°в 1 а0,2 6» % gB в,- %
кгс/мм? кгс/мм' кгс/мм2
АМг2 Штамповки Поковки <30 17 — 15 15 — 13 14 11 45
АМгЗ Штамповки Поковки 19 7 15 17 — 12 16 10
АМг5 Штамповки Поковки 28 15 15 » — — — 65
АМгб Штамповки <30 >30—60 >60—200 32 30 29 16 13 12 15 14 11 31 30 29 13 13 12 14 14 11 31 30 29 14 In 11 65
Поковки <30 >30—60 >60—2500 32 30 29 16 13 12 15 14 И 31 30 29 13 13 12 14 14 11 31 30 29 14 14 11
Алюминий и его сплавы
to
59. Химический состав (%) сплавов на основе системы A’ —Mg—Si
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Mg Si Си Мп Сг Fe Си Мп Zn Ti Прочие
Каждая Сумма
АВ 0,45—0,90 0,5—1,2 0,1 —0,5 или Сг 0,15—0,35 — 0,5 — — 0,2 0,15 0,05 0,1
АД31 0,4 —0,9 0,3—0,7 0,5 0,1 0,1 0,2 0,15 0,05 0,1
АДЗЗ 0,8—1,2 0,4 —0,8 0,15—0,40 0,15—0,35 0,7 —— 0,15 0,25 0,15 0,05 0,15
АД35 0.8—1,4 0,8—1,2 — 0,5—0,9 — 0,5 0,1 — 0,2 0,15 0,05 0,1
60. Характеристики механических свойств прессованных профилей
Сплав Состояние профилей Толщина полки профиля, мм СТ» 1 | °0.2 б, %
кгс/мм2
Не менее
АВ Закаленные и естественно состаренные Все размеры 18 — 14
Закаленные и искусственно состаренные 30 23 10
АД31 Закаленные и естественно состаренные Все размеры 14 7 13
Закаленные и искусственно состаренные 20 15 8
АДЗЗ Закаленные и естественно состаренные 18 11 15
Закаленные и искусственно состаренные <10 26 23 6
>10 27 23 10
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Алюминий и его сплавы
471
61. Характеристики механических свойств прутков ( 0 до 300 мм)
Сплав Состояние прутков | °0.2 б. %
кгс/мм*
Не менее
АВ Закаленные и естественно состаренные Закаленные и искусственно состаренные 18 30 — 14 12
АД31 Закаленные и естественно состаренные Закаленные и искусственно состаренные 14 20 7 15 13 8
АДЗЗ Закаленные и естественно состаренные Закаленные и искусственно состаренные 18 27 11 23 15 10
АД35 * свойств. Закаленные и естественно состаренные Закаленные и искусственно состаренные Для АД35 указаны типичные 27 33 характерис' 20 28 гики механ 13—15 8 1ических
62. Характеристики механических свойств поковок и штамповок (в закаленном и искусственно состаренном состоянии)
Сплав Вид изделия Масса, кг Вдоль волокна Поперек волокна, по ширине НВ
% | °0.2 кгс/мм2 б, % Рв | °0.2 кгс/мм2 д. %
Не менее
АДЗЗ Штамповки <30 27 20 8 — — — 80
>30 — 425 25 19 6 — — — 80
АВ Штамповки До 200 30 22 12 27 — 4 85
Поковки До 1500 28 — 10 — — — 85
472
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Отжиг полуфабрикатов производят при температурах 350—370° С (АД35, АВ); 350—400° С (АД31); 380—420° С (АДЗЗ). Затем следует охлаждение в печи со скоростью 30°/ч до t = 250° С, дальнейшее охлаждение на воздухе.
Сплавы АД31, АДЗЗ, АД35 деформируются в основном в горячем состоянии, сплав АВ — в горячем и холодном состоянии.
Характеристики механических свойств полуфабрикатов из сплавов на основе системы А1—Mg—Si приведены в табл. 60—62.
Сплавы этой группы отличаются высокой общей коррозионной стойкостью и не склонны к коррозии под напряжением. В закаленном и искусственно-состаренном состоянии сплав АВ склонен к межкристаллитной коррозии. Коррозионная стойкость сварных швов аналогична стойкости основных материалов.
Сплавы удовлетворительно свариваются точечной, роликовой, а также аргонодуговой сваркой с применением присадочной проволоки св. АК5. Прочность сварных соединений равна 0,6—0,7ов основного материала. Последующие закалка и старение повышают прочность до 0,9—0,95ав основного материала.
Обрабатываемость резанием в отожженном состоянии неудовлетворительная, в термически обработанном состоянии — удовлетворительная.
Сплавы широко применяют в промышленности для изготовления деталей невысокой и средней прочности, в легкой, автомобильной промышленности, для отделки кабин и салонов самолетов и вертолетов, в гражданском строительстве, в судостроении.
Конструкционные сплавы на основе системы Al—Си—Mg
Конструкционные сплавы Д1, Д16, Д19, ВД17 см. табл. 63.
Сплавы упрочняют термической обработкой (табл. 64). Характеристики механических свойств полуфабрикатов из конструкционных сплавов типа дуралюмин приведены в табл. 65—68.
Плакированные листы отличаются высокой коррозионной стойкостью, прессованные изделия, штамповки и поковки — пониженной стойкостью. Прессованные изделия из сплавов Д1 и Д16 в закаленном и естественно состаренном состоянии при эксплуатационных нагревах выше 100° С склонны к межкристаллитной коррозии; искусственное старение повышает сопротивление коррозии. Неплакированные детали из дуралюминов следует подвергать анодированию и защищать лакокрасочными покрытиями.
Сплавы хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются плавлением из-за высокой склонности к трещинообразованию.
Все дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием (в закаленном и состаренном состоянии) и химическим фрезерованием (размерным травлением). Обрабатываемость резанием в отожженном состоянии плохая.
Дуралюмин широко применяют во всех областях народного хозяйства, особенно в авиации. Сплав Д16 в виде листов и прессованных полуфабрикатов — основной материал для силовых элементов конструкции самолетов (детали каркаса, обшивка, шпангоуты, нервюры, лонжероны, тяги управления) и других нагруженных конструкций.
Алюминий и его сплавы
473
63. Химический состав (%) конструкционных сплавов типа дуралюмин
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Си Mg Мп Fe Si Ni Zn Ti Прочие
* tr s co О S
Д1 3,8—4,8 0,4 —0,8 0,4 —0,8 0,7 0,7 0,1 0,3 0,1 0,05 0,1
Д16 3,8—4,9 1,2—1,8 0,3 —0,9 0,5 0,5 0,1 0,3 0,1 0,05 0,1
ВД17 2,6—3,2 2,0—2,4 0,45— 0,7 0,3 0,3 — 0,1 0,1 0,05 0,1
Д19 • 3,8—4,3 1,7 —2,3 0,5—1,0 0,5 0,5 — 0,1 0,1 0,05 0,1
* В сплаве Д19 содержится 0,0002 — 0,005% Be.
64. Режимы термической обработки конструкционных сплавов типа дуралюмин
Сплав Температура нагрева под закалку, °C Старение
Температура, °C Время, ч
Д1 495—510 20 >96
Д16 495—505 (листы) 20 >96
188—193 11-13
485 — 503 (прессованные изделия) 20 >96
185—195 6-8
Д19 500—510 (листы) 20 120—240
185—195 12—14
495—505 (прессованные изделия) 20 120—240
185—195 8—10
ВД17 495—505 165—175 15—17
474
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
65. Характеристики механических свойств плакированных листов (поперек прокатки)
Сплав Состояние листов Толщина листов, мм ав °0.2 б. %
кгс/мм*
Д1 Отожженные 0,5-1,9 2,0—10,0 <23 <24 — 12 12
Закаленные и естественно состаренные 0,5—1,9 2,0—10,0 37 38 19 20 15 15
Д16 Отожженные 0,5—1,9 2,0—10,0 <23 <24 — 10 10
Закаленные и естественно состаренные оюо — осл 1 111 — О — яъъ о 41,5 43,5 43,5 27,5 28 28 13 11 10
Нагартованные после закалки и естественно состаренные 1,5—1,9 2,0-7,5 43,5 46,5 34 35 10 8
Закаленные и искусственно состаренные ЬЭО О ООО СП 1 1 1 0 — 0 оо-м 40,0 43,5 45,5 35 38 39 5 5 5
Нагартованные после закалки и искусственно состаренные 1,5-1,9 2,0-6,0 46 49 43 46 3 4
Д19 Отожженные 0,5—1,9 2,0—10,0 <23 <24 10 10
Закаленные и естественно состаренные 0,5-1,9 2,0-6,0 6,1 — 10,0 40,5 42,5 42,5 26,5 27 27 13 11 10
Нагартованные после закалки и естественного старения 1,6—1,9 2,0-7,5 43,5 46,5 34 35 10 8
Алюминий и его сплавы
475
66. Характеристики механических свойств прессованных профилей
Толщина 1 | а0.2
Сплав Состояние профилей полки профиля, мм кгс/ммг 6, %
Отожженные Все размеры <25 — 12
Д1 Закаленные и естественно состаренные <10 10,1 — 20 >20 36 38 41 22 23 25 12 12 10
Отожженные Все размеры <25 — 12
Д16 Закаленные и естественно состаренные СО Ю — р О О СЛ ЬЭ Y Г Г Г Г Г л о со кэ ►— сл м р р р р о о о о 41 42 43 44 45 46 49 31 32 33 34 34 34 36 10 10 10 10 10 10 10
Отожженные Все размеры <25 — 12
Д19 Закаленные и естественно состаренные <5 5,1 — 10,0 10,1 — 20,0 20,1 — 40,0 40 42 43 45 30 30 31 32 10 10 10 10
476
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
67. Характеристики механических свойств труб в закаленном и естественно состаренном состоянии
Сплав Способ изготовления труб Размеры, мм °в °0,2 6. %
Толщина стенки Диаметр кгс/мм*
Не менее
Д1 Прессованные <5 34 — 10
>5 <120 36 20 12
>120 38 22 10
Катаные и тянутые <1,0 <22 38 1 20 1 13
1,5—5,0 38 20 14
До 1,0 23 — 50 40 23 12
1,5-5,0 40 23 13
>5 >50 40 23 11
Д16 Прессованные <5 37 — 9
^5 <120 40 26 12
>120 43 28 10
Катаные и тянутые <1,0 <22 42 26 13
1,5-5,0 42 26 14
>5 23—50 43 29 12
50 43 29 10
68. Характеристики механических свойств штамповок и поковок
Сплав Состояние материала Вид изделия Масса, кг Вдоль волокна Поперек волокна НВ
ав а0.2 б, % По ширине По толщине
°в 1 | °0,2 б. % ав’ кгс/ммг 6, %
кгс/мм* кгс/мм’
не менее
Д1 Закаленные и естественно состаренные Штамповки <200 38 20 12 36 18 6 33 5 95
Поковки <700 36 — 10 34 — 32 4 95
ВД17 Закаленные и искусственно состаренные Штамповки <30 38 26 10 — — — — — -
Поковки 200 40 26 10 — — — — — -
Алюминий и его сплавы
69. Химический состав (%) сплавов Д20, Д21
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Си Мп Mg Ti Fe Si Zn Mg Zr Прочие
Каждая Сумма
Д20 1210 (Д21) а> сл о о 1» t о о р о г г о р 00 00 0,25—0.45 0,1 —0,2 0,1 —0,2 0,3 0.3 0,3 0.3 0,1 0,1 0,05 0,2 0,05 0,05 0,1 0,1
478
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
70. Режимы термической обработки сплавов Д20 и Д21
Сплав Температура нагрева под закалку. °C Старение
Температура, °C Время, ч
Д20 530—540 165—175 200—220 16—10 12—8
Д21 520—530 170-180 17—15
71. Характеристики механических свойств полуфабрикатов из сплава Д20
Полуфабрикат Состояние °в а0.2 б, %
кгс/мм2
Листы плакированные всех толщин Отожженные <24 — 15
Закаленные и естественно состаренные 28 — 12
Закаленные и искусственно состаренные 38 28 8
Профили прессованные всех размеров Закаленные и естественно состаренные 28 — 12
Закаленные и искусственно состаренные 35 24 8
Прутки прессованные Закаленные и искусственно состаренные 36 24 8
72. Характеристики механических свойств штамповок и поковок массой до 100 кг из сплавов Д20 и Д21 в закаленном и искусственно состаренном состоянии
Сплав Вид изделия Вдоль волокна Поперек волокна НВ
°в lq0.2 б, % по ширине по толщи не
кгс/мм2 %' кгс/мм’ «. % %’ кгс/мм2 б, %
не менее
Д20 Штамповки и поковки 38 26 10 37 4 36 4 100
Д21 Штамповки 40 1 27 7 38 | 4 38 | 1 4
Поковки 40 26 6 38 | 3 38 | 3
Алюминий и его сплавы
479
Сплав Д19 применяют для тех же деталей, что и сплав Д16, работающих в условиях эксплуатационных нагревов до температуры 200—250° С, а также для изготовления заклепок. Сплав Д1 используют для штамповки лопастей воздушных винтов, а также различных узлов крепления. Сплав ВД17 применяют для изготовления лопаток компрессора двигателей.
Жаропрочные сплавы на основе системы А1—Си—Мп
Химический состав сплавов и режимы их термической обработки приведены в табл. 69 и 70, характеристики механических свойств полуфабрикатов — в табл. 71, 72.
Сплавы упрочняются закалкой и искусственным старением и практически не упрочняются при естественном старении. Низкотемпературное старение сплава Д20 (/= 1654-175° С) применяют для получения высоких механических свойств полуфабрикатов при комнатной температуре, а для обеспечения высокой жаропрочности применяют старение при повышенных температурах (200—220° С). Для предотвращения поводок и коробления закалку тонкостенных сложных по конфигурации деталей рекомендуется проводить в кипящей воде. Отжиг производят при температуре 350—370° С, охлаждение — на воздухе.
Сплавы Д20 и Д21 характеризуются высокими технологическими свойствами при обработке давлением (ковке, штамповке, прокатке и прессовании).
Сплавы отличаются низкой коррозионной стойкостью. Стойкость плакированных листов из сплава Д20 ниже, чем листов из сплава Д16. Изделия следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями.
Сплав Д20 удовлетворительно сваривается точечной, роликовой и аргонодуговой сваркой с присадкой проволоки из сплава Д20.
Обрабатываемость резанием сплавов удовлетворительная.
Сплавы применяют для изготовления изделий, длительно работающих при повышенных температурах, например деталей двигателей, а также для силовых элементов различных конструкций. Сплав Д20 применяют также для изготовления сварных изделий, емкостей, баллонов и других, работающих при комнатной температуре или кратковременно при повышенных температурах.
Жаропрочные ковочные сплавы на основе системы А1—Си —Mg—Ni—Fe
Химический состав сплавов см. табл. 73, режимы термической обработки—табл. 74.
Для уменьшения коробления и поводок закалку деталей сложной конфигурации можно производить в кипящей воде.
Сплавы АК4, АК4—1 хорошо деформируются в горячем состоянии. Характеристики механических свойств полуфабрикатов из сплавов приведены в табл. 75, 76.
Сплавы отличаются невысокой коррозионной стойкостью, склонны к коррозионному растрескиванию. Детали следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями.
Сплавы удовлетворительно свариваются точечной и роликовой сваркой, хорошо обрабатываются резанием.
73. Химический состав (%) ковочных жаропрочных сплавов
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Си Mg Ni Fe Si Ti Мп Zn Ti Проч Каждая ие Сумма
АК 4 АК4-1 * * В сг быть в пре; 1,9 —2,5 1,9—2,5 главе АК4-1 цел ах 0,15- 1,4-1,8 1,4—1,8 , применяв! -0,25%. 0,8—1,3 0,8—1,3 ЛОМ ДЛЯ ИЗГ( 0,8—1,3 0,8—1,3 этовления л 0,5—1,2 0,35 истов, плит 0,02—0,1 и прессова 0,2 0.2 нных пр 0,3 0,3 офилей, 0,1 содерж 0,05 0,05 ание Si дол 0,1 0,1 жно
74. Режимы термической обработки ковочных жаропрочных сплавов (температура нагрева под закалку 525—535° С)
Сплав Вид полуфабриката Режимы старения
Температура, °C Время, ч
АК4 Прессованные 165—180 10-16
Штамповки, поковки 165—180 190—200 10—16 8—12
АК4-1 Листы плакированные 185—195 185—195 9—12 24
Плиты горячекатаные 190—200 190—200 7-9 24
Штамповки, поковки 185—195 195-200 8—12 24
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
75. Характеристики механических свойств поковок и штамповок из сплавов АК4 и АК4-1 (в закаленном и искусственно состаренном состоянии)
Сплав Вид изделия Масса, кг Вдоль волокна б, % Поперек волокна
°в 1 ао.2 По ширине По толщине НВ
Кгс/мм? 1 G0.2 б. % кгс/мм2 б, %
кгс/мм2
Не менее
АК4 Штамповки <100 38 28 5 37 27 4 36 3 100
Поковки <700 37 27 4 36 26 3 35 3 100
АК4-1 Штамповки <100 100-200 40 38 28 27 6 5 38 38 27 26 4 4 38 37 4 4 109 109
Поковки С700 38 27 5 38 26 4 37 4 109
Штамповки малых крыльчаток и др. — 40 — 5 40 — 5 40 5 117
Штамповки больших крыльчаток и др.: перо, диск ступица — 39 38 — 5 4 39 38 — 5 4 39 38 5 4 109 109
Алюминий и его сплавы
76. Пределы длительной прочности и ползучести (зг 100 ч) прессованных полуфабрикатов из сплавов АК4 и АК4-1
Сплав 200° С 250° С 300° С
<*100 <*0,2/100 <*100 <*0,2/100 <*100 <*0,2/100
АК4 20 15 7,5 6,5 4,0 3,5
АК4-1 18 — 9,0 6,5 4,5 2,5
77. Химический состав (%) сплавов АК6 и АК8
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Си Mg Мп Si Fe Ni Zn Ti Прочие
Каждая Сумма
А Кб 1,8—2,6 0,4—0,8 0,4 —0,8 0,7—1,2 0,7 0,1 0,3 0,1 0,05 0,1
АК8 3,9—4,8 0,4 — 0,8 0,4—1,0 0,6—1,2 0,7 0,1 0,3 0,1 0,05 0,1
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Алюминий и его сплавы
483
Жаропрочные ковочные сплавы применяют для изготовления деталей двигателей, работающих при повышенных температурах. Сплав АК4-1 применяют в качестве конструкционного материала (в виде листов, профилей, штамповок) в машиностроении и самолетостроении.
Ковочные сплавы на основе системы Al-Cu—Si—Mg—Мп (АК6, АК8)
Для уменьшения коробления и поводок закалку тонкостенных деталей сложной формы производят в воде при температуре 80—90° С.
Сплавы (табл. 77—80) хорошо деформируются в горячем состоянии.
78. Режимы термической обработки сплавов АК6 и АК8
Сплав Полуфабрикат Температура нагрева под закалку, °C Режимы старения
Температура, °C Время, ч
А Кб Всех видов 505-525 150-165 6-15
АК8 Поковки, штамповки 495—505 150-165 4-15
Листы, профили 165—175 10—12
Сплав АК8 применяют также для изготовления листов. Типичные характеристики механических свойств листов (поперек прокатки): ов = 46 кгс/мм3, о0,2 = 38 кгс/мм2, 6= 14%.
Сплавы АК6 и АК8 склонны к коррозии под напряжением и чувствительны к межкристаллитной коррозии. Детали следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями.
Все сплавы удовлетворительно свариваются точечной и роликовой сваркой, а сплав АК8 — аргонодуговой с присадочной проволокой из сплава АК5. Прочность сварных соединений составляет 0,6—0,7ов основного материала.
Сплавы хорошо обрабатываются резанием.
Сплавы широко применяют в промышленности (строительстве, транспортном машиностроении, авиации) для изготовления штампованных и кованых деталей сложной формы, а также для нагруженных деталей типа рам, фитингов и др.
Конструкционные высокопрочные сплавы на основе системы А1—Zn—Mg—Си
Химический состав сплавов приведен в табл. 81.
Сплавы обладают высокой прочностью (ов и о0,2) и пониженной пластичностью. Чувствительны к надрезам, склонны к коррозионному Растрескиванию под напряжением.
Максимальные значения прочности (ов и о0,2) полуфабрикатов из сплавов на основе системы А1—Zn—Mg—Си достигаются при темпера-
79. Характеристики механических свойств поковок и штамповок иа сплавов АК6 и АК8
Сплав Полуфабрикат Состояние материала Масса, кг Вдоль волокна Поперек волокна
°в С0«2 б, % по ширине По толщине НВ
°В 1 С0,2 6, % %’ кгс/мм8 б, %
кгс/мм8 кгс/мм8
Не менее
АК6 Штамповки Закаленные и искусственно состаренные <350 <1500 39 37 28 10 8 37 35 25 7 6 35 34 5 4 100 95
Поковки Закаленные и естественно состаренные До 200 33 16 16 — — — — — —
АК8 Штамповки Закаленные и естественно состаренные <200 39 25 11 37 24 8 35 6 110
Поковки <750 39 25 10 37 — 8 33 4 110
750 — 2000 38 24 8 36 — 7 33 4 110
Штамповки Закаленные и искусственно состаренные 1 <30 44 32 10 40 — 6 36 4 120
30 — 200 42 30 8 40 — 6 66 3 ПО
Поковки <30 42 — 8 36 — 4 34 3 120
30—2000 39 — 6 36 — 4 34 2 110
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
80. Механические свойства прессованных прутков из сплавов АК6 и АК8 в закаленном и искусственно состаренном состоянии
Сплав Диаметр прутка, мм ств, кгс/м б, %
А Кб <100 <300 38 36 10 12
АК8 <150 <300 46 44 10 8
81. Химический состав (%) сплавов на основе системы А1—Zn — Mg—Си
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Zn Mg Си Мп Сг Другие Fe S1 Мп Т1 Прочие
Каждая Сумма
В93 6,3—7,3 1,6—2,2 0,8—1,2 — — Fe 0,2—0,45 — 0,2 0,1 0,1 0,05 0,1
В 94 5,9—6,8 1,2—1,6 1,8—2,4 — — Ti 0,02 — 0,08 0,2 0,2 0,1 0,05 0,05 0,1
В95 5,0—7,0 1,8—2,8 1,4 —2,0 0,2 —0,6 0,1—0,25 — 0,5 0,5 — 0,05 0,05 0,1
В96 7,6—8,6 2,5—3,2 2,2 —2,8 0,2 —0,5 0,1 — 0,25 — 0,5 0,3 — 0,05 0,05 0,1
В96ц 8,0—9,0 2,3 —3,0 2,0—2,6 — — Zr 0,1 —0,2 0,4 0,3 0,1 0,03 0,05 0,1
Алюминий и его сплавы
486
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
82. Характеристики механических свойств полуфабрикатов из сплава В95
?В 1 а0.2 6. %
Полуфабрикат Состояние материала •кгс/мм2
Не менее
Листы плакированные толщиной, мм *:
0,5—10,0 Отожженные 25 — 10 ’
0,5—1,9 2,0—6,0 Закаленные и искусственно состаренные 49 50 41 42 7 7
6,1 — 10,0 50 42 6
1,2—6,0 6,1 — 10,0 Закаленные и искусственно состаренные, особо прочные 53 53 46 46 6 5
Профили с толщиной стенки, мм:
<10 50 45 6
>10 52 47 6
Прутки прессованные диаметром, мм: <22 Закаленные и искусственно состаренные 50 40 7
23—100 54 43 6
<300 50 43 5
Трубы прессованные с толщиной стенки, мм:
5—20 50 38 7
>20 52 41 5
* Свойства в поперечном направлении. * * Механические свойства особо прочных листов обеспечиваются путем ограничения содержания магния и цинка в сплаве и отбором листов серийно поставляемой продукции.
Алюминий и его сплавы
487
турах закалки 460—475° С с последующим искусственным старением. Режимы старения: сплава В93 — ступенчатый (120° С — 3 ч + 165° С — 4 ч); сплава В94 — ступенчатый (100° С — 3 ч + 165° С — 3 ч); сплава В95 — плакированные листы —*120° С 24 ч; сплавов В95 — неплаки-рованные полуфабрикаты, В96, В96ц— 135—145° С в течение 16 ч или ступенчатый (120° С — 3 ч + 160° С — 3 ч).
Характеристики механических свойств полуфабрикатов из сплавов на основе системы А1—Zn—Mg—Си приведены в табл. 82, 83.
Сплавы на основе системы А1—Zn—Mg—Си в закаленном и искусственно состаренном состоянии отличаются удовлетворительной общей коррозионной стойкостью, однако склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением (в особенности сплавы В96 и В96ц). Коррозионная стойкость естественно состаренных сплавов неудовлетворительная. Детали из этих сплавов следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями.
Сплав В95 хорошо сваривается точечной сваркой; сплавы В96 и В96ц удовлетворительно свариваются аргонодуговой сваркой. Пластичность сварного шва пониженная.
Все сплавы на основе системы Al—Zn—Mg—Си хорошо обрабатываются резанием.
Сплавы В93, В95, В96, В96ц применяют для изготовления нагруженных силовых деталей и конструкций в различных отраслях техники. Сплав В94 применяют для изготовления заклепок и заклепочной проволоки, в закаленном и искусственно состаренном состоянии тср 29 кгс/мм2.
При длительной эксплуатации рабочие температуры изделий из сплавов на основе системы А1—Zn—Mg—Си не должны превышать 100° С.
Литейные алюминиевые сплавы *
Сплавы на основе системы А1—Si
Сплавы на основе системы А1—Si (табл. 84—86) отличаются высокими литейными свойствами и герметичностью отливок. Их применяют для получения отливок всеми способами литья. При изготовлении отливок литьем в песчаные формы и по выплавляемым моделям сплавы рекомендуется модифицировать. Заливку форм крупногабаритных толстостенных отливок следует производить в автоклавах (для кристаллизации отливок под давлением 5—6 кгс/см2) для повышения плотности литья.
У всех сплавов удовлетворительная коррозионная стойкость. Детали можно защищать анодированием и лакокрасочными покрытиями. Обрабатываемость резанием (за исключением сплава АЛ2) удовлетворительная.
Заварку дефектов отливок и сварку с деформированными материалами можно производить аргонодуговой и газовой сваркой.
Сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ9 широко применяют для литья мало- и сред-ненагруженных приборных, агрегатных деталей, деталей двигателей, Для производства бытовых изделий (посуды, электроприборов и др.). Высокогерметичный сплав ВАЛ5 применяют для литья корпусных
* Режимы термической обработки см. ОСТ 190088-^73.
ЗД. Характеристики метаническик свойств штамповок и поковок из сплавов В93, В95, В96ц в закаленном и искусственно состаренном состоянии
Сплав Вид изделия Масса, кг Вдоль волокна Поперек волокна
°в °0.2 б, % по ширине по толщине НВ
°» 1 °0.2 б, % °в« кгс/ммг б, %
кгс/мм8 кгс/мм’
‘ Не менее
В93 Штамповки <30 49 44 6 49 44 3,5 48 3 125
>30—1000 48 44 6 48 44 3,5 48 2
Поковки <2500 4Г 44 6 48 43 3,5 48 2
В95 Штамповки <30 52 44 6 46 — 4 42 3
>30 — 200 52 44 6 46 1 1 4 42 2
Поковки <1000 50 42 6 45 — 3 40 2
В96ц Штамповки <30 63 58 5 56 50 3 — — 170
Поковки <50 60 55 4 55 — 2 — —
488 Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
84. Химический состав (%) сплавов на основе системы Al—S1
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
S1 Mg Мп Т1 Be Fe Мп Си Zn Сумма учитываемых примесей для отливок
3, В К Д 3, В К Д
АЛ2 10-13 До 0,1 — — — 0,8 1,0 1,5 0,5 0,6 0,3 2,2 2,3 2,8
АЛ4 8—10,5 0,17—0,3 0,2—0,5 До 0,15 До 0,1 0,6 0,9 1,0 — 0,3 0,3 1,2 1,5 1,6
АЛ9 6-8 0,2—0,4 — До 0,15 До 0,1 0,6 1,0 1,5 0,5 0,2 0,3 1,2 1,6 2,1
ВАЛ5 6,5—8,5 0,35—0,55 0,1—0,3 0,15—0,4 0,6 — 0,1 0,3 0,3 — 0,6
Примечание. Здесь и далее следующие обозначения: 3 — литье в песчаные формы; В — по выплавляемым моделям; К — литье в кокиль; Д — литье под давлением.
Алюминий и его сплавы
490
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
85. Термическая обработка сплавов на основе системы AI — Si
Сплав Режим термической обработки Закалка * Старение
Температура нагрева, °C Время выдержки, ч Температура нагрева, °C Время выдержки, ч
АЛ2 Т2 — 300+10 2—4
АЛ4 TI Тб 535+5 2—6 175+5 175+5 5—17 10-15
Т2 — — 300+10 2 — 4
АЛ9 •• Т4 Т5 Тб Т7 Т8 535+5 2—6 КЗ КЗ КЗ — сльэосл ОСЛ О О 1 1+1+1+1+1 СЛ СЛ СЛ £Л со из из из 1 1 11 1 — счеоео
ВАЛ5 Т5 535+5 10—16 75+5 6
* Здесь и далее для алюминиевых сплавов закалка в воде с t = = 20^ 100° С. * * Для сплава АЛ9 (режимы Тб, Т7, Т8) закалка в воде с t = = 80е 100° С.
86. Характеристики механических свойств сплавов на основе системы Al— Si
Сплав Способ ЛИТЬЯ Вид термической обработки °в-кгс/мм2 б, % НВ
АЛ2 зм, вм • К Д — 15 16 16 4 2 1 60
ЗМ, ВМ К Д Т2 14 15 15 4 3 2
АЛ4 К, Д Т1 20 1,5 60
ЗМ, ВМ К Тб 23 24 3 3 70 70
АЛ9 Все способы Т2 1 U 2 45
3, В К Т4 18 19 4 4 50
3, В К Т5 20 21 | 60
ЗМ, ВМ Тб 23 1 1 1 70
ЗМ, ВМ 1 Т7 1 ' 20 ! 1 2 | 60
зм, вм 1 Т8 1 16 1 3 55
ВАЛ5 ном сос 3 | I Т4 | 1 26 1 4 | 1 70
g 1 Т5 1 Буква М — означает, что сплав ТОЯНИИ. I 30 1 34 применяют I 2 I 85 1 4 1 90 в модифицирован*
Алюминий и его сплавы
491
деталей, работающих под высоким внутренним давлением жидкостей или газов, а также как конструкционный материал в машиностроении.
Детали из сплавов на основе системы А1—Si могут длительно работать при температурах не выше 150—200° С.
Сплавы на основе системы А1—Si—Си
По литейным свойствам сплавы (табл. 87—89) уступают сплавам на основе системы А1—Si, однако их применяют для получения отливок практически всеми способами литья. Сплавы с высоким содержанием кремния (АЛ32, АЛ4М, В124) при литье в песчаные формы следует модифицировать.
Коррозионная стойкость сплавов пониженная, детали следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями.
Заварку дефектов производят аргонодуговой и газовой сваркой. Сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием.
Сплавы АЛЗ и АЛ5 отличаются повышенной жаропрочностью, детали из них могут длительно работать при температурах до 270° С. Рабочие температуры деталей из сплавов АЛ32, АЛ4М, В124 не должны превышать 250° С.
Сплавы применяют для литья деталей агрегатов и двигателей.
Сплавы на основе системы А1—Mg
Сплавы (табл. 90—92) применяются только в закаленном состоянии (режим Т4). Для уменьшения внутренних напряжений закалку отливок проводят в кипящей воде или в масле.
Сплавы отличаются удовлетворительными литейными свойствами. Плавку следует проводить под флюсом или добавлять в шихту лигатуру А1—Be.
У сплавов на основе системы А1—Mg высокая коррозионная стойкость. Следует учитывать, что сплавы с высоким содержанием магния (АЛ8, АЛ27, АЛ27-1) в закаленном состоянии склонны к естественному старению, что может привести к возникновению в отливках высоких внутренних напряжений. Содержание магния в нагруженных отливках из этих сплавов не должно превышать 10%. Детали следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями.
Сплавы хорошо обрабатываются резанием и полируются. Дефекты в отливках подвергаются заварке аргонодуговой сваркой; применение газовой сварки не рекомендуется.
' Сплавы на основе системы А1—Mg отличаются низкой жаропрочностью. Рабочие температуры деталей из этих сплавов не должны превышать 100° С.
Сплавы широко применяют в судостроении, транспортном машиностроении, строительстве для изготовления деталей, от которых требуется повышенная коррозионная стойкость в морской воде и атмосфере.
Сплавы на основе системы А1—Си
Сплавы (табл. 93—95) отличаются пониженными литейными свойствами, герметичностью и коррозионной стойкостью. Детали следует защищать анодированием и лакокрасочными покрытиями.
Возможна заварка дефектов аргрнодуговой сваркой. Сплавы хорошо обрабатываются резанием.
87. Химический состав (%) сплавов на основе системы Al — Si —Си
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
S1 Си Mg Мп Ti В Fe Zn Zr Сумма учитываемых примесей для отливок
3. В К Д 3, В К Д
АЛЗ ‘4,5—5,5 1.5—3,0 0,35—0,6 0,6—0,9 — — 0,6 1,2 1.5 0,3 Zr + Се 0.5 1,2 1.8 2,0
АЛ5 4,5—5,5 1,0—1,5 0,35—0.6 До 0,5 До 0,15 — 0,6 1.0 1,5 0.3 — 1.1 1.4 1,8
АЛ32 7.8—8.5 1,0—1,5 0,3—0,5 0.3 —0.5 0.1—0,3 — С.7 0,8 0,9 0,3 — 1,0 1,1 1,2
АЛ4М 8,5—10,5 1,3 —2.5 0.3—0,6 — 0.1 —0.3 0,01—0.1 0,12 0,25 — — 0,3 0,6
В124 8,0—11,0 3,0—4,0 0,15—0,35 0,1—0,3 0,1—0,3 0,01—0.1 0,3 0,3
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Алюминий и его сплавы
493
88. Термическая обработка сплавов на основе системы Al—S1—Си
Сплав Режим термической сюработки Закалка Старение
Температура нагрева, °C Время выдержки, ч Температура нагрева, °C Время выдержки ч
АЛЗ Т1 — — 175+5 3-5
Т2 300+10 2—4
Тб 515+5 и 525+5 1 2—4 2—4 1 175+5 3-5
515+5 3-6
Т7 515±5 3-6 230+10 3—5
Т8 330+5 3-5
АЛ5 Т1 — — 180 ±5 5—10
Тб 525+5 3-5 175+5 5—10
Тб 200+5 3-5
Т7 515+5 и 525+5 3-5 1-3 230+5 3-5
525+5 3-5
АЛ4М Тб 515+5 и 525±5 4 8 160+5 8-15
В124 Тб 490+5 и 515±5 4 10 160 ±5 24
494
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
89. Характеристики механических свойств сплавов на основе системы Al — Si—Си
Сплав Способ литья Режим термической обработки °В’ кгс/мм* б, % НВ
не менее
АЛЗ 3, В К д — 14 17 16 0,5 0,5 0,5 65
3' В. к Т2 15 1 65
CQ & со Т5 22 25 0,5 0,5 75
3' в. к Т7 21 1 70
Т8 18 2 65
АЛ5 3, в. к Т1 16 0,5 65
3. в Т5 20 0,5 70
Тб 23 0,5
3. в, к Т7 18 1 65
АЛ32 к — 19 1 50
д — 27 3 70
3 к Тб 25 27 2 2 60 70
АЛ4М 3 к Т5 30 35 2 3 90
В124 3 в к Тб 34 40 40 0,5 2,0 2,0 110 110 120
90. Химический состав (%) сплавов на основе системы Al—Mg
Сплав Основные компоненты Примеси (не более) Сумма учитываемых примесей
Mg Ti Be Zr Fe Si Мп Си Zn 3, В К Д
3. В К Д
АЛ8 9,5—11,5 <0,07 <0,07 <0,2 0,3 0,3 — 0,3 0,1 0,3 0,1 1,3 1,3 —
АЛ23 6,0-7,0 0,05 — 0,15 0,02 — 0,1 0,05 — 0.2 0,2 0,2 — 0,2 0,1 0,15 0,1 0,6 0,6 —
АЛ23-1 6,0 —7.0 0,05 — 0,15 0,02-0,1 0,05—0,2 0,05 0,05 — 0,05 0.1 0,05 0,05 0.2 0,2 —
АЛ27 9,5—11.5 0,05 — 0,15 0,05 — 0,15 0,05—0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 0,15 0.1 0.6 0,6 0,6
АЛ27-1 9,5—11,5 0,05 — 0,15 0,05—0,15 0,05 — 0,2 0,05 0,05 0.05 0,05 0,1 0,05 0,2 0,2 0,2 0,2
Алюминий и его сплавы
496
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
91. Режимы закалки сплавов на основе системы AI—М»
Сплав Режим закалки
Температура нагрева, °C Время'выдержки, ч Охлаждающая среда и ее температура, °C
АЛ8 430dt5 12 — 20 Масло 40—50
АЛ23, АЛ23-1 АЛ27, АЛ27-1 435=h5 10 Вода 80—100
92. Характеристики механических свойств сплавов на основе системы А1—Mg
Сплав Способ литья Состояние сплава °в’ кгс/мм2 6# % НВ
не менее
АЛ8 3, в, к Закаленное 29 9 60
АЛ23 3 К, Д Литое 19 22 4 6 60
3, К Закаленное 23 6
АЛ23-1 3 К, Д Литое 20 24 5 10 60
3, К Закаленное 25 10
АЛ27 3, к, д 32 12 75
АЛ27-1 з, к, д 35 15 75
93. Химический состав (%) сплавов АЛ7 и АЛ 19
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Си Мп Ti Fe Si Mg Zn Мп Ni Zr Сумма учитываемых примесей
3, В К 3, В К
АЛ7 4—5 „ До 0,2 1,0 1,0 1,2 * 0,03 0,2 0,1 2,2 2,2
АЛ19 4,5-5,3 0,6—1,0 0,15—0,35 0,2 0.3 0,05 0,2 — ол 0,2 1.0 0,8
* При литье в кокиль допускается содержание Si до 3%
94. Режимы термической обработки сплавов АЛ7 и АЛ 19
Сплав Режимы термической обработки
Обозначение Закалка Старение
Температура нагрева, °C Время выдержки, ч Температура нагрева, °C Время выдержки, ч
АЛ7 * Т4 515±5 10-15 — —
Т5 150=t=5 2—4
АЛ19 Т4 530±=5 и 645=1=5 5-9 5 — 9 — —
54 5 ±5 | ' 10—12
Т5 530±5 и 545^5 I 5-9 | 5-9 175=t5 3—5
545=1=5 | 10-12
Т7 530 zt 5 и 545±3 I 5-9 1 5—9 250=t5 3—10
* Для сплава АЛ7 закалка в воде с t = 80-5-100° С.
Алюминий и его сплавы
498
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
95. Характеристики механических свойств сплавов АЛ7 и АЛ 19
Сплав Способ литья Режим термической обработки °В’ кгс/мм2 б, % НВ
АЛ7 3, В К Т4 20 21 6 6 60 60
3, В К Т5 22 23 3 3 70 70
АЛ19 3, В Т4 30 8 70
3, В Т5 34 4 90
Сплав АЛ7 применяют для литья мало- и средненагруженных деталей, работающих при температурах до 250° С.
Сплав АЛ 19 жаропрочный, его широко применяют для силовых деталей и клепаных конструкций, работающих как при комнатной, так и повышенных температурах (до 300° С) в различных отраслях техники: в авиации, машиностроении, приборостроении и др.
Сплавы на основе сложных систем
В эту группу входят жаропрочные литейные алюминиевые сплавы (табл. 96—98).
В табл. 99 приведены значения прочности при повышенных температурах широко применяемых литейных алюминиевых жаропрочных сплавов.
Сплавы АЛ1, АЛ21, ВАЛ1 отличаются удовлетворительными литейными свойствами. Коррозионная стойкость сплавов пониженная; детали следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями. Заварку дефектов производят аргонодуговой или газовой сваркой. Сплавы хорошо обрабатываются резанием.
Сплавы АЛ1 и АЛ21 применяют для литья деталей двигателей (поршни, головки цилиндров и др.), длительно работающих при температурах до 300° С. Сплав ВАЛ1 применяют для литья нагруженных деталей, работающих при температурах до 350° С.
ЦИНК И ЕГО СПЛАВЫ
У цинка (табл. 100) гексагональная структура. Этим объясняется резкая анизотропия его свойств. Прочностные свойства в поперечном (к прокатке) направлении значительно выше, чем в продольном. При комнатной температуре цинк в литом состоянии малопластичен, а при 100—150° С становится пластичным и может быть подвергнут обработке давлением — прокатке, прессованию, штамповке и глубокой вытяжке.
Чистый цинк рекристаллизуется в процессе обработки давлением и не нуждается в смягчающем отжиге. Технологичность цинка в процессе обработки давлением зависит от его чистоты. Отрицательное влия-
96. Химический состав (%) жаропрочных сплавов
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Си Ni Мп Mg Сг Се Zr Fe Si Zn Mg Сумма учитываемых примесей
з, в 1 к 3, В 1к
АЛ1 3,75 — 4,5 1,75—2,25 1,25-1,75 0,8 0.8 0,7 0,3 1,5 1.5
АЛ21 4,6—6,0 2,6—3,6 0,15—0,25 0,8—1,3 0,1 —0,2 —* 0,6 0,6 0,5 0,3 1,0 1.0
ВАЛ1 5.5—6,2 0,8—1,2 0,6—1,0 — — 0,15 — 0,3 0,05 — 0.2 0,3 0,3 0,3 — 0,05 0,6 0,6
97. Режимы термической обработки жаропрочных сплавов
Сплав Режим Закалка Старение
Температура нагрева, °C Время выдержки, ч Температура нагрева, °C Время выдержки, ч
АЛ1 Т5 515=1=5 2—5 175=1=5 3—5
Т7 230=*= 10 2—4
АЛ21 * Т2 — — 300ztzl0 5-10
Т7 500 zt 5 и 525zt5 2 2—5 300 ztz 10 3—10
ВАЛ1 * Для сп. Т4 535z±z5 и 545 zt 5 1 7“9 1 7—9 — —
545zt5 | 10-12
Т5 лава АЛ21 закали 535 zt 5 и 545±5 I 7 — 9 1 | 7—9 | 175zt5 3-6
545ztz5 | 10-12 а в воде c t = 80-f-100e С.
Цинк, и его сплавы,
СО
5С0
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
98. Характеристики механических свойств жаропрочных сплавов
Сплав Способ литья Режим термической обработки Механические свойства, не менее
%’ кгс/мм2 б. % НВ
АЛ1 3. В, К Т5 Т7 21 18 0,5 1 95 80
АЛ21 3, В Т2 Т7 18 21 1 1 65 75
ВАЛ1 3, К Т4 Т5 23 26 2,5 1.5 80 85
99. Типичные значения прочности литейных сплавов при повышенных температурах
Сплав Режим термической обработки Механические свойства при температурах, °C .300° с а100ч • кгс/мм2
ав, кгс/мм2 <Т100 ч» кгс/мм2
200 250 300 200 | 250 300
АЛ2 Т2 15 13 8 7 4 2,8 1,2
АЛ4 Тб 16 14 10 8 5 2,8 1,3
АЛ5 Тб 17 15 10 9 5,5 3,5 2,4
АЛ8 Т4 22 14 9 8 4 1,5 0,8
АЛ9 Т5 15 12 9 8 4.5 2,6 1,0
АЛ19 Т5 26 19 14 16 12 6,5 4,0
АЛ1 Т5 18 16 14 13 7 5,5 3,7
АЛ21 Т7 21 19 16 18 12 7.5 5,0
ВАЛ1 Т5 25 20 16 18 15 10,0 6,0
100. Химический состав (%) цинка основных марок ГОСТ 3640—75
Цинк Zn (не менее) Примеси (не более)
РЬ 1 Fe | Cd | Си Sn Всего
ЦВЧ 99,997 0,00001 0,00001 0,002 0,00001 0,00001 0,003
цв 99,99 0,005 0,003 0,002 0,001 0,001 0,010
цо 99,975 0,015 0,007 0,010 0,001 0,001 0,025
ш 99,95 0,02 0,015 0,014 0,002 0,001 0,050
Ц2 98,7 1,0 0,05 0,20 0,005 0,002 1.3
цз 97,5 2,0 0,10 0,20 0,05 0,005 2,5
Цинк и его сплавы
501
ние на горячую обработку оказывает примесь олова, образующая с цинком эвтектику с температурой плавления 199° С, и особенно одновременное присутствие олова и свинца, образующих с цинком тройную эвтектику с температурой плавления 150° С. Железо задерживает рекристаллизацию цинка.
Характеристики физико-химических и механических свойств цинка
Плотность, г/см3 ... Температура плавления, °C Температура кипения, °C Коэффициент линейного расширения а* 10е: поликристаллического при 20 — 250° G вдоль оси а при 0—100° С вдоль оси с при 0—100° С Удельная теплоемкость, кал/(г*°С), при 0° С Скрытая теплота плавления, кал/г Скрытая теплота испарения, кал/г Поверхностное натяжение, дин/см, при 450° С Теплопроводность, кал/(см* с* °C), при 25° С 7,13 419,4 907,0 39,7 15,0 61,0 0,0915 24,09 425,6 755 0,27
Удельное электросопротивление, Ом-мм’/м: поликристаллического при 20° С вдоль оси а вдоль оси с ................. Удельное электросопротивление, Ом*мм2/м, в жидком стоянии при 419°С Температурный коэффициент электросопротивления при 0—100° С Магнитная восприимчивость Модуль нормальной упругости, кгс/мм2 . Модуль сдвига, кгс/мм2 Предел текучести, кгс/мм2: литого .... деформированного .... ... Временное сопротивление разрыву, кгс/мм2: литого ... деформированного отожженного . . Относительное удлинение, %: литого ... деформированного отожженного Ударная вязкость литого цинка, кгс-м/см2 НВ. кгс/мм2: 0,0591 0,0589 0,0616 0,353 0,00419 — 0,15-10~‘ 9000 3800 7,5 8-10 12—14 12-17 7—10 0,3-0,5 40-50 10-20 0,6-0,75
литого . . деформированного 30-40 35-45
Сплавы на основе цинка
Широкое распространение получили цинковые сплавы для литья под давлением, содержащие алюминий, медь и магний (табл. 101).
Характеристики физико-механических свойств цинковых сплавов для литья под давлением
Плотность, г/см3...........
Температура плавления, °C:
солидус
ликвидус ..............................
Коэффициент линейного расширения а при 20—100° С, 1/°С................
Сдельная теплоемкость, кал/(г*°С)
Теплопроводность, кал/(см-с-°C) . .
Удельное электросопротивление, Ом-мм2/м
ЦАМ 4-1
6,7
386 380
27,4-10-« 0,10 0,26 0,0654
ЦА4 6,6
387 381
27,4-10-» 0,10 0,27 0,0637
101. Сплавы цинковые для литья под давлением в чушках
Сплав Основные компоненты * Примеси, % (не более) кгс/мм2 б, % НВ Пример ное назначение Маркировка
А1 Си Mg Си РЬ Fe Sn Cd Si Сумма РЫ-+ Sn + + Cd Всего Не менее
ЦАМ4-1 3,9 — 4,3 0,75 — 1,25 0,03— 0,06 — 0,01 0,05 0,002 0,005 0,015 0,017 0,112 30 1,0 90 Для литья под давлением деталей средней прочности (корпуса карбюратора, насоса и др.) Полоса черного цвета
ЦА4 3,9— 4,3 * Zn — остальн 0,03 — 0,06 юе. 0,03 "0,01 0,05 0,002 0,005 0,015 0,017 0,142 25 2,5 75 Для литья под давлением деталей с устойчивыми размерами Полоса зеленого цвета
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Цинк и его сплавы
503
Температурный коэффициент электросопротивления а при 0—100° С 0,00353 0,00377
Временное сопротивление разрыву, кгс/мм2, после:
отливки 33 29
вылеживания в течение 10 лет .... Относительное удлинение, % (/0 = 50 мм), после: 27 24
отливки 4 — 7 6-8
вылеживания в течение 10 лет Ударная вязкость, кгс*м/см2, после: 10—13 12-16
отливки 6,6 5,9
вылеживания в течение 10 лет 5,5 5,6
НВ, кгс/мм2 80 — 100 70-90
Сопротивление срезу, кгс/мм2 .... Предел усталости (на базе 10е циклов) 23 — 26 20—22
4,7 —5,7 3,5-4,5
Сопротивление сжатию, кгс/мм2 55-60 38—42
В процессе естественного старения цинковых сплавов происходит уменьшение размеров отлитых изделий (на 0,07—0,09%). Две третьих усадки происходит в течение 4—5 недель, остальная — в течение многих лет. Для стабилизации размеров применяют термообработку — отжиг (3—6 ч при 100° С, или 5—10 ч при 85° С, или 10—20 ч при 70° С).
Сплавы могут подвергаться пайке и сварке. Однако эти процессы применяют главным образом для заделки дефектов, так как паяные швы имеют низкую прочность. Оловянно-свинцовыми припоями можно паять только предварительно никелированные сплавы. Флюс — подкисленный хлористый цинк. Лучшие результаты дает припой, содержащий 82,5% Cd, 17,5% Zn. В этом случае флюс не требуется.
Сварку ведут в восстановительном пламени. Электроды и изделие изготовляют из одного сплава.
Наиболее широко литейные цинковые сплавы используют в автомобильной промышленности для отливки корпусов карбюраторов, насосов, рам спидометров, решеток радиаторов, деталей гидравлического тормоза, различных декоративных деталей. Помимо этого сплавы применяют для отливки деталей стиральных машин, пылесосов, пишущих машинок, кассовых аппаратов, миксеров, корпусов электрических часов, различного кухонного оборудования и т. д.
Эти сплавы нельзя использовать в условиях повышенных и низких температур, так как уже при температуре 100° С прочность снижается на 30%, твердость — на 40%, а при температуре ниже 0° С они становятся хрупкими.
Для повышения коррозионной стойкости и для декоративных целей на цинковые изделия наносят различные защитные покрытия.
В зависимости от условий службы цинковых изделий применяют двух- или трехслойные защитные покрытия различных толщин. Как правило, в качестве покрытий используют медь, никель и хром.
Цинковые антифрикционные сплавы
Наибольшее распространение получили антифрикционные цинково-алюминиево-медные сплавы. Их применяют как в литом, так и в деформированном (прокатанном или прессованном) состоянии.
Отличаясь высокими антифрикционными свойствами и достаточной прочностью при комнатной температуре, эти сплавы служат хорошими
504
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
заменителями бронз при работе в узлах трения, температура которых не превышает 80—100° С. При более высоких температурах сплавы сильно размягчаются и намазываются на вал.
ГОСТ 7117—62 предусматривает две марки сплава — ЦАМ 9-1,5 и ЦАМ 10-5 (табл. 102, 103, 104).
У цинковых сплавов высокий коэффициент линейного расширения, что следует учитывать при установлении величины зазора в подшипнике.
Из цинковых антифрикционных сплавов в основном изготавливают литые монометаллические и биметаллические детали. Однако в настоящее время расширяется применение проката из сплава ЦАМ 10-5 (по ТУ 48-08-484—71).
При изготовлении литых деталей используют чушковые сплавы по ГОСТ 7117—62 либо приготавливают сплав из первичных материалов с использованием оборотов литейного производства и переплава. Плавку рекомендуется проводить под слоем древесного угля.
В качестве флюса принимают хлористый аммоний (ГОСТ 3773—72) в количестве 0,1—0,2% от массы плавки. Большее количество флюса добавляют при загрязненной шихте.
Металл нельзя перегревать выше 480° С, так как при более высокой температуре происходит сильное насыщение расплава газами. Температура литья цинковых антифрикционных сплавов — 440—470° С.
Монометаллические литые детали можно получать отливкой в землю, в кокиль, центробежным способом и литьем под давлением. При разработке технологии отливки изделий следует учитывать, что сплавы ЦАМ 9-1,5 и ЦАМ 10-5 склонны к образованию горячих трещин, поэтому следует избегать форм, создающих затрудненную усадку.
Изделия, отлитые в землю, отличаются от изделий, полученных кокильным литьем, большим количеством пор и более крупными размерами зерен. Наблюдается значительный разброс характеристики механических свойств. Поэтому литье в землю целесообразно применять только для деталей сложной конфигурации, которые трудно отливать в кокиль.
При центробежном литье (линейная скорость на периферии 6—8 м/с, скорость литья 2—2,5 кг/с) следует учитывать возможность получения в отливке зоны столбчатых кристаллов с пониженными механическими свойствами. С увеличением скорости структура, становится мелкозернистой, но наблюдается заметная ликвация структурной составляющей сплава, богатой алюминием. Поэтому для получения ответственных деталей центробежное литье нужно применять с осторожностью.
Биметаллические литые детали, состоящие из цинкового антифрикционного сплава и стали, изготовляют путем заливки сплава на сталь через подслой чистого цинка, наносимого способом горячего цинкования.
Для получения прочного соединения необходимо обезжирить и протравить стальную поверхность. После флюсования (температура флюса не должна превышать 150° С) стальное основание подогревают, оцинковывают (в цинковую ванну добавляют 0,5% алюминия; содержание железа в ванне не должно превышать 0,5%), устанавливают в форму и заливают сплавом.
Существенно повышается коэффициент использования металла при изготовлении деталей из проката. Сплав ЦАМ 9-1,5 хорошо обрабатывается вхолодную, тогда как вырубку и штамповку сплава ЦАМ 10-5 лучше проводить при температуре 100—150° С, при которой этот сплав весьма пластичен. Биметаллический прокат с обоими сплавами обраба-
Цинк и его сплавы
505
102. Химический состав (%) антифрикционных сплавов на цинковой основе (ГОСТ 7117 — 62)
Сплав Основные компоненты
А1 Си Mg Zn
ЦАМ 10-5 ЦАМ 9-1,5 10,0-9,0- -12,0 -11,0 4,0—5,5 1,0—2,0 0,03-0,03- -0,06 -0,06 Остальное To же
Сплав Примеси (не более)
РЬ Fe Sn Cd Si Всего
ЦАМ -10-5 ЦАМ 9-1,5 0,03 0,03 0,15 0,15 0,01 0,01 0,02 0,02 0,10 0,10 0,35 0,35
Примечания: 1. Содержание алюминия в изделиях из сплава ЦАМ 10-5 должно быть не менее 9%, а в изделиях из сплава ЦАМ 9-1,5 не менее 8%. 2. Содержание железа в изделиях из сплавов ЦАМ 10-5 и ЦАМ 9-1,5 не должно превышать 0,20%.
103. Характеристики физических и механических свойств цинковых антифрикционных сплавов
Характеристика Сплав ЦАМ 9-1,5 Сплав ЦАМ 10-5
Литье в кокиль Деформированный (вдоль прокатки) Литье в кокиль Деформированный (вдоль прокатки)
Температура начала плавления, °C Температура конца плавления, °C ... Плотность, г/см1 Коэффициент линейного расширения а. 10е, 1/°С Теплопроводность, кал/(см‘ с* °C) . . Линейная усадка, % . . Модуль упругости Е, кгс/мм1 НВ, кгс/мм1 .... Ударная вязкость ан, кгс* м/см1 Временное сопротивление разрыву ав, кгс/мм1 Предел текучести oQ 2, кгс/мм1 Относительное удлинение б, % Относительное сужение ф, % Коэффициент трения со смазкой Коэффициент трения без смазки 378 410 6,1 27 0,24 1,2 9000 90—115 1,0-2,0 25—35 24 — 33 2—6 2-8 0,009 0,36 85—110 1,2—2,5 30—40 25—38 5—15 15—30 0,010 0,34 378 395 6,3 27 0,24 1,0 9000 100—120 0,3-0,4 25—40 0,5—4,0 1,0—4,0 0,009 0,35 90—П0 0,3—0,6 35—50 33 — 49 4,0—10,0 4,0—15,0 0,010 0,31
506
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
104. Условия применения цинковых антифрикционных сплавов
Сплав Состояние Примерное назначение Характеристики работы изделий (не более)
Удельная нагрузка, кгс/см2 Скорость скольженкя, м/с Температура, °C
ЦАМ 9-1,5 Литой Для отливки монометаллических вкладышей, втулок, ползунов и т. д. 100 8 80
Для отливки биметаллических изделий со стальным корпусом 200 10 100
Деформированный Для получения биметаллических полос со сталью и высокопрочными алюминиевыми сплавами методом прокатки с последующей штамповкой вкладышей 250 15 100
ЦАМ 10-5 Литой Для отливки монометаллических вкладышей, втулок, ползунов и т. д 100 8 80
Деформированный Для получения прокатанных полос, предназначенных для изготовления направляющих скольжения металлорежущих станков 20 5 80
тывается без осложнений вхолодную. Усталостная прочность деформированных сплавов, особенно в биметалле, намного выше, чем литых сплавов. Поэтому изделия из них также могут работать в более тяжелых условиях.
При работе цинкового сплава в паре со стальным валом твердость последнего должна быть не ниже НВ 300. По возможности в конструкции монометаллических трущихся деталей следует избегать бортов, резких переходов и т. д., так как цинковые сплавы плохо сопротивляются усталостным разрушениям в условиях воздействия больших изгибающих усилий.
МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Магний принадлежит к числу наиболее распространенных металлов. Благодаря малой плотности сплавы магния по характеристикам удельной прочности превосходят некоторые конструкционные стали, чугуны
Магний и его сплавы.
507
и алюминиевые сплавы. Магниевые сплавы в горячем состоянии хорошо прессуются, куются, прокатываются и обрабатываются резанием. Некоторые магниевые сплавы отличаются хорошими демпфирующими свойствами.
Магниевые сплавы целесообразно применять в деталях, работающих на изгиб. Они немагнитны и не искрят при ударах и трении. Их используют в качестве конструкционного материала и материала со специальными физико-химическими свойствами. Магниевые сплавы легко свариваются,, в особенности аргонодуговой сваркой. Многие магниевые сплавы упрочняются термической и термомеханической обработкой.
В соответствии с ГОСТ 804—72 первичный магний выпускается трех марок — МГ90, МГ95 и МГ96 (магния не менее 99,90; 99,95 и 99,96% соответственно) в виде чушек массой 8,0 ± 1,0 кг.
Магний — химически активный металл. На воздухе окисляется с образованием на поверхности окисной пленки из MgO. Дистиллированная холодная вода на магний почти не действует. Кипящую воду магний разлагает энергично. В морской и минеральной воде магний разрушается. В водных растворах большинства минеральных кислот и солей магний растворяется. Он стоек в растворах плавиковой и хромовой кислот, соды, едких щелочей, а также в бензине, керосине и минеральных маслах. Поэтому он может быть использован для изготовления трубопроводов, баков, цистерн, для перевозки и хранения этих жидкостей.
Для предохранения магния от коррозии на его поверхность наносят тончайшие окисные пленки или лакокрасочные покрытия. Хорошие результаты дает покрытие эпоксидными пленками.
Характеристики физико-химических и механических свойств магния
Плотность, г/см® 1»74
Температура плавления, °C 651
Температура кипения, °C П07
Скрытая теплота плавления, кал/г 70
Удельная теплоемкость (при 20—100° С), кал/(г*°С) 0,246
Теплопроводность, кал/(см • с* °C) 0,376
Удельное электросопротивление (при 20° С), Ом«мм2/м 0,647
Коэффициент линейного расширения при 25° С, 1/С 26• 10“6
Предел прочности, кгс/мм2, в: 12 О литом состоянии деформированном состоянии
Предел текучести, кгс/мм2, в: литом состоянии деформированном состоянии
Твердость НВ, кгс/мм2, в: литом состоянии деформированном состоянии
Относительное удлинение, %, в: литом состоянии деформированном состоянии
508
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Модуль упругости, кгс/мм2, в: литом состоянии 4200—4400
деформированном состоянии 4100 — 4300
Кроме чистого магния выпускают первичные магниевые сплавы (табл. 105) в чушках для производства фасонного литья и слитков, обрабатываемых давлением.
В табл. 106—118 приведены состав и свойства магниевых сплавов.
105. Химический состав* (%) и маркировка первичных магниевых сплавов в чушках (ГОСТ 2581—71)
Сплав А1 Zn Мп Zr Nd Количество полос и цвет на торце чушки
ММ2 — — 1,5-2,2 — — Одна красная
ММ2ч — — •' 1,5—2,2 — — Две красные
МАЗу 3,0-3,8 0,2—0,8 0,2—0,5 — • — Одна синяя
МА5у1 3,8-5,0 0,8—1,5 0,2-0,8 — — Две коричневые
МА5у1ч 3,8-5,0 0,8—1,5 0,2 —0,8 — — Три коричневые
МАбуЗ 5,6—6,8 2,2—3,0 0,2—0,5 — — Две синие
МАбуЗч 5,6—6,8 2,2—3,0 0,2—0,5 — — Три синие
МА8у 7,5—8,7 0,3 —0,8 0,2 —0,5 — — Одна зеленая
МА8уч 7,5-8,7 0,3—0,8 0,2—0,5 — — Три зеленые
МА8уон 7,5—8,7 0,3—0,8 0,2 —0,5 — — Две зеленые
MAlOyl 9,0—10,0 0,7—1,2 0,2 —0,5 — — Одна черная
МУр1НЗ — — — 0,4— 1.1 2,6— 3,2 Одна коричневая
М85 * Осн Не более 12,0 ова — Mg. Не более 5,0 Не более L0 Две черные
П р и м е ч а 1 8,0±1,0 кг. кие. Сплавы поставляют : в виде чушек массой
106. Литейные магниевые сплавы
Сплав Вид термической обработки * : Химический состав *•, % Свойства при 20 °C (типичные) Предельные рабочие температуры, Области применения
А1 Мп Zn Zr Другие легирующие элементы %’ кгс/мм* %,2’ кгс/мм* б, % й я X R х Кратковременно
МЛ2 Л — 1,0— 2,0 — — — 10 3,0 4 150 200 Для деталей, от которых требуются повышенная коррозионная стойкость и герметичность (горловины, бензобаки, бензомасляная арматура и др.)
МЛЗ Л 2,5— 3,5 0,15 — 0,5 0,5— 1,5 — — 18 5,5 8 До 150 До 150 Для деталей с высокой герметичностью (в арматуре корпусов насосов и др.)
МЛ4 Т4 5,0— 7,0 0,15— 0,5 2,0 — 3,0 25 8,5 9 150 250 Для деталей двигателей и других агрегатов, работающих в условиях высокой коррозионной стойкости, статических и динамических нагрузок (корпуса приборов и инструментов, штурвалы и др.) Для нагруженных деталей, работающих в условиях морской атмосферы, а также деталей двигателей, приборов и др. (тормозные барабаны, кронштейны, штурвалы и др.)
МЛ5 Т4 7,5— 9,0 0,15 — 0,5 0,2 — 0,8 25 9 9 150 250
МЛ6 Тб 9,0— 10,2 0,1 — 0,5 0,6— 1,2 26 14 1 До 150 Для высоко- и среднена-груженных деталей (детали приборов, аппаратуры, корпуса и др.)
МЛ8 Тб 5,5 — 6,6 0,7 — 1.1 Cd 0,2 —0,8 27 17 4 150 200 Для нагруженных деталей (реборды, барабаны колес и другие конструкции)
Магний и его сплавы
сл
Продолжение табл. 106
Сплав 1 Вид термической обработки ♦ Химический состав % Свойства при 20 °C (типичные) Предельные рабочие температуры, °C Области применения
А1 Мп Zn Zr Другие легирующие элементы кгс/мм’ а°,2; кгс/мм’ «о Длительно Кратко-време но
МЛ9 Тб — — олео Jn 0,2 —0,8 Nd 1,9—2,6 25 12 6 250 — 300 350 — 400 Для деталей двигателей, приборов и др.
МЛ ю Тб 0,1 — 0,7 олео Nd 2,2 —2,8 24 15 5 250 350 Для нагруженных деталей различных конструкций, двигателей, приборов и агрегатов, требующих высокой герметичности и высокой стабильности размеров
МЛ11 Тб 0,2— 0,7 олео SP3M 2,2 —2,8 16 10 3 250 300 .Для деталей двигателей, приборов, агрегатов, требующих повышенной герметичности и не испытывающих высоких нагрузок при комнатной температуре
МЛ12 Тб — — 4,0— 5,0 0,6— i,i —- 27 16 6 200 250 Для нагруженных деталей (реборды, барабаны колес и другие конструкции)
МЛ15 Т1 4,0— 5,0 0,7 — 1,1 La 0,6—1,2 22 15 4 200 300-350 Для нагруженных деталей двигателей, приборов, агрегатов, требующих герметичности
см. табл. 108.
обозначения
• Л — без термической обработки, остальные
** Основа — Mg.
Примечание. Сплавы МЛ4 и МЛ5 повышенной чистоты (сумма примесей 0,14%).
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
107. Характеристики свойств литейны:: магниевых сплавов при повышенных и низких температурах
Сплав Вид термической обработки Температура испытания,
100 150 200
ав, кгс/мм’ | а0,2» кгс/мм’ «о S £ Я! 8 см о* О ав, кгс/мм’ 1 OQ 2’ кгс/мм’ в. % а100» кгс/мм’ а0,2/100» кгс/мм’ ов, кгс/мм’ 3 о * £ о* О «о ОДОО, кгс/мм’ ПО,2/100» кгс/мм»
МЛ2 Л — — — 1.8 8,0 — — — 1,6 7 — — — 1.3
МЛЗ Л 16 5 10 3,9 14,5 4,5 11 — 3,5 10,5 4 12 — 2,5
МЛ4 Т4 24 8 7 6,6 21 7.5 15 — 2,9 15 6,8 25 — 1,2
МЛ5 Т4 23 8 10 7,0 18,5 6 12 8,5 2,5 15,5 5 15 5 0,8
МЛб Т4 — — — 7,2 21 8.5 18 — 2,4 15 — — — 0,7
МЛ9 Тб — — — — — — — — — 20 — 22 13—14 5 — 9,5
млю Тб — — — — — — — — — 19 14 8 13 11
МЛ11 Тб — — — — — — — — — 14 8 6 11,5 6,5
МЛ12 Т1 — — — 5,6 16 И 5 8,0 4 14 8,5 5 5 2,5
МЛ 15 Т1 — — — — 14,5 10,5 5 10,0 6,5 12,5 8,5 13 6,5 4
Магний и его сплавы
Продолжение табл. 107
Сплав Вид термической обработки Температура испытания, °C
250 300 -70 -196
ав, кгс/мм* <У0 2. кгс/мм2 «о 0100» кгс/мм2 00,2/100» кгс/мм2 ав, кгс/мм’ (Jq 2» кгс/мм2 «о а100» кгс/мм2 <УВ, кгс/мм’ б. % ов, кгс/мм’ «о
МЛ2 Л — — — — — 6 — — — — — — —
МЛЗ Л — — — — — 6 3 10,5 — — — — —
МЛ4 Т4 7,5 — 26 — — — — — — — — — —
МЛ5 Т4 12 4 15 2.5 — 9,0 — — — 29 12 29 7
МЛ6 Т4 11 7 — — — 8 — — — 27 5 32 4.5
МЛ9 Тб 16—18 12 5 — 4,5 12 10 20 1,8 — — —
МЛЮ Тб 16,5 13 13 7 3,8 13,5 и 17 2,5 30 5 32 4
МЛ11 Тб 13 7,5 8,5 5,5 3 10,5 6 30 2,2 — — — —
МЛ12 Т1 10 6 6 — — — — — — — —- 25 2,0
МЛ 15 Т1 10 6,5 16 — 2 7,5 5,0 16 4,0 21 1 22 1
СЛ
ГО
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Магний и его сплавы
513
108. Режимы термической обработки литейных магниевых сплавов
Сплав Вид термической обработки Закалка Старение
Температура,- Время выдержки, ч Охлаждающая среда Температура, °C Время выдержки, ч
МЛ 2 Т2 . . 340 2—3
млз Т2 —— 340 2—3
МЛ4 Т4 380 8-16 Воздух
МЛ4п. ч. Тб 380 8—16 > 175 16
МЛ5 Т4 415 8-32 —
МЛ5п. ч. Тб 415 8—32 » 175 или 200 16 или 8
МЛ5о. н. Т4 410 8—16 » —w
Т4 360 3 »
4-410 21—29
МЛ6 Тб * 360 3 Вода
4-410 21—29 при 90° С 190 4—8
МЛ10 Тб 540 8—12 Воздух 205 12 — 15
Т4 570 4-6 > —
МЛН Тб 570 4—6 200 16
Т1 300 4—6
МЛ12 Тб 400 2 165 или 150 24 или 50
4-490 3 Воздух
МЛ14 Т1 — 315 16
МЛ15 Т1 — — — 300 2—6
* Для получения повышенного удлинения.
Примечания: 1. Условные обозначения: Т1 — старение из литого состояния; Т2 — отжиг для снятия внутренних напряжений (охлаждение с печью); Т4 — закалка; Тб — закалка и старение.
2. Температура нагрева должна выдерживаться в пределах ±=5° С.
3. Знак <+» указывает на ступенчатый нагрев.
4. Длительность выдержки указана без учета времени, необходимого для нагрева до заданной температуры закалки и старения.
109. Характеристика физических свойств литейных магниевых сплавов
Сплав Коэффициент линейного расширения а-10в при 20—200° С, 1/°С Коэффициент теплопроводности, кал/(см-с-°С) Удельная электропроводность а-104, Ом-1-ММ-Ь 10-4
МЛ2 27,2 0,32 14,5
МЛЗ 27 0,25 11
МЛ4, МЛ4п. ч 27,6 0,190 8,2
МЛ5, МЛ5п. ч МЛ5он 28,1 0,185 7,5
МЛ6 27,3 0,185 7,1
МЛ 7-1 27,7 0,180
МЛ 8 27,2 0,290
МЛ9 27,1 0,280 13,8
МЛ10 28,0 0,270 12,0
МЛ 11 0,280 13,7
МЛ12 27,3 0,320 15,1
МЛ15 26,9 0,330 14,7
П р и м е ч а 0,25 кал/(г-°С). н и е. Удельная теплоемкость сплавов 0,22—
17
514
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
110. Характеристики технологических свойств литейных магниевых сплавов
Сплав Температура литья, °C Линейная усадка, % Горяче-лом кость (по ширине кольца), мм Жидкотекучесть (по длине прутка), мм
МЛ2 750—800 1,6—1,9 50
МЛЗ 720—800 1.4—1,6 42,5 2?5
МЛ4, МЛ4п. ч 720—800 1.2—1,4 37,5 235
МЛб, МЛ5о. н 720—800 1.1 — 1,3 30,0 290
и МЛб п. ч
МЛ6 720—800 1.1 —1.2 27,5 335
МЛ7-1 720—780 1,2—1.3 37,5 250
МЛЮ 720—800 1.2—1,5 30 250
МЛ 11 720—800 1.2—1.5 _*
МЛЮ 730—800 1,3—1.4 30—32,5 280
МЛЮ 720—800 1,3—1,6 27,5—30 320
МЛ14 720—800 1.3—1,4 — —
111. Характеристики свариваемости литейных магниевых сплавов (аргонодуговая сварка)
Сплав Вид термической обработки Присадка Условия заварки дефектов отливок (деталей)
МЛб Основной материал
МЛ5п. ч. То же
МЛЮ Тб >
МЛН Тб >
МЛЮ Т1 Проволока СВ 122 1
МЛ8 МЛЮ МЛЮ Тб Проволока
МЛ8 МЛ15 СВ122 1
МЛ9 Основной материал
Без подогрева и с подогревом в интервале 350—380е С в зависимости от жесткости детали 2 *
То же в интервале 380—430° С 8
С подогревом в интервале 380— 430° С 2
С подогревом (общий 4- местный) в интервале 400-430° С
С созданием теплового барьера в зоне плавки 2
Без подогрева (сплавы склонны к образованию трещин в шве, зоне сплавления и околошовной зоне 4 * *) Без подогрева и с местным подогревом в интервале 380—470° С в зависимости от жесткости детали 2
1 Для получения более высокого качества мест заварки следует использовать проволоку, полученную прессованием.
2 Сплав сваривается удовлетворительно, несколько склонен к образованию микрорыхлот при сварке. Коррозионная стойкость в местах заварки удовлетворительная.
° Сплав сваривается хорошо, не склонен к образованию микрорыхлот. Коррозионная стойкость в местах заварки удовлетворительная.
4 Заварка дефектных мест невозможна без трещин, склонен к об-
разованию микрорыхлот. Коррозионная стойкость в местах заварки
неудовлетворительная.
112. Характеристики свойств деформируемых магниевых сплавов при повышенных и низких температурах (горячепрессованные)
Температура испытания, °C
Сплав 100 150 200
2 а о а to 2 2 2 м cjy «о О100» кгс/мм2 <*0,2/100» кгс/мм2 2 2 и а to 2 2 о см о to «о (J10», кгс/мм2 <*0,2/100»' кгс/мм2 2 2 2 а а О 8WW/0JH ‘г‘°0 «о 2 2 2 м to <*в,2/100» кгс/мм2
МА1 18 15 15 — <— 14 11 18 2,5 13 8 25 1.5
МА2 21 11,5 30 10 — 16,5 — 45 5 — 11,5 — 60 2 —
МА2-1 22,5 11,5 19 13 7 19 9,5 30 8,5 2 13 7,5 35 3,5 —
МА5 22 13 22 — — 17 10 30 — — 12,5 7,0 38 — —
МА8 18 10 26 14 — 15 7 30 12 6 132 6 32 7,5 3
МАП — — — — — — — — — — 21 И 13 15 8
МА12 — — — — — — — — — — 17 12 10 11 7
МА14 26 — 20 — — 21 — 28 — — 15 — 50 2,5 —
МА15 21 15 16 — — 19 14 25 10 3 16 9 30 •— —
ВМС1 — — — — — — 19 10 22
Магний и его сплавы
сл
сл
Продолжение табл. 112
Сплав Температура испытания# °C
650 300 350 -70 -196
ав, кгс/мм8 Я о ай м о° (Тюо; кгс/мм8 <*0,2/100» кгс/мм8 <JB# кгс/мм8 аЛ кгс/мм8 0*3 «о О100* кгс/мм8 <Увг кгс/мм8 Я 2 ай о° 0, % о1в0# кгс/мм8 QBi кгс/мм8 а я 2 ай СЧ Ь° ов, кгс/мм8 2 S 2 «я о О б. %
МА1 9 5 60
МА2 7,5 •— 75 — 31 — 13 40 2,5
МА2-1 9 4,5 45 — — 7 4 50 — — — — — 29 — 9 38 31,5 2,6
МА5 8,5 5,5 45 — — 7,0 3,5 85 —
МА8 11 5 34 3,5 — 7 — 62 — — — — — 26 — 8,5 — — —
МАИ 18 9 15 9 3,5 14 8 19 1.5 10 6 47 3,5 — — — — —
МА12 14 10 16 — — 10 8 20 — 6,5 6 30 — — — — — —
МА14 10,5 58 — — 7 — 62 — — — 41 — 8 47 2,5
МА15 11 5 45 — 40 35 J5 — — —
ВМС1 17 9 18 — — 13 8 24 — 7,5 65 — — — — — — —
сл
5>
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
113. Режимы термической обработки деформируемых магниевых сплавов
Сплав Вид термической обработки Закалка Старение Отжиг
Температура, °C Время выдержки, ч Охлаждающая среда Температура, Время выдержки, ч Температура, Время выдержки, ч
МА1 М 320—350 0,5
МА2-1 М — — — — — 250 — 280 0,5
МА5 Т4 410—425 6—2 Воздух — — — —
Т5 — — — 175—200 16-8 — —
Тб 410 — 425 6-2 Воздух 175—200 16 — 2 — —
МА8 м — — — — — 320—350 0,5
МАИ Тб 480 — 500 4 Струя холодного воздуха 175±5 24 — —
Т8 ♦ 480 — 500 4 175±=5 24 — —
МА12 Тб 530 1 Вода 200 16 — —
МА14 Т5 — — — 170=fc5 10-24 — —
МА15 М — — — 260 zt 20 0,5
* Между закалкой и старением — холодная деформация 3 — 10%.
Примечание. Условные обозначения: М — отжиг после деформации; Н — полунагартованное состояние (низкотемпературный отжиг после деформации); Т4 — закалка после деформации; Т5 — искусственное старение после деформации; Тб — закалка и искусственное старение после деформации; Т8 — закалка с последующей нагартовкой и искусственное старение.
Магний и его сплавы
518
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
114. Деформируемые
Сплав Химический состав % Свойства
Al Мп Zn Zr Nd Ce Другие легирующие элементы ав' кгс/мм*
МА1 1.3—2.6 — — ’1 19—22 j
МА2 3,0—4,0 0,15—1 0,5 0,2 — 0,8 — — — 26—29 1
МА2-1 3,8—5,0 0.2—0,6 0,6—1.5 fe— — — 27—33
МА5 7,8—9,2 0,15— 0,5 0,2—0,8 fe» — 30—33 j
МА8 — 1.5—2,5 — 0,IS-О.35 22—25'
МАП — 1,5—2,5 2,5— 3,5 NI 0,13— 0,25 26—29
МА12 — 0,3—0,8 2,5— 3.5 23—28
МА14 — 5,0—6,0 0,3—0,9 32—34
МА15 — 2,5—3,5 0,45— 0,9 Cd 1,2—2,0 La 0,5—1,0 30—32
ВМС1 3,0—4,0 1,2—2,0 0,4—0,9 Мишметалл 1,0—2.0 35—38
Основа — Mg.
4
Магний и его сплавы
519
магниевые сплавы
при 20° С Полуфабрикат Предельные рабочие температуры, °C Области применения
%2* . кгс/мм8 б, % Длительно Кратковременно
12^-14 5-10 150 200 Для сварных деталей несложной конфигурации, деталей арматуры, бензо- и масло-систем, не несущих больших нагрузок
16^18 5—15 Всех видов 150 200 Для кованых и штампованных деталей сложной конфигурации для сварных конструкций
16—23 8—20 150 200 Для панелей, штамповок сложной конфигурации для сварных конструкций
22 8—14 Прессованные поковки, штамповки 150 200 Для нагруженных деталей
14—16 4 — 20 Всех видов 200 250 Для листов, плит, штамповок сложной конфигурации, для сварных конструкций
13-16 5 — 14 Прутки, штамповки листы 250 300 Для деталей, нагревающихся в процессе эксплуатации
13 — 18 9 — 12 Прутки, листы, плиты 250 300 То же
22—29 6—14 Профили, прутки 150 200 Для высоконагруженных деталей
25—26 5—14 Прутки, профили, листы 150 200 Для деталей сварных конструкций, требующих повышенного предела текучести при сжатии
27—31 3—10 Прутки, профили 150 200 Для деталей, от которых требуется повышенный предел текучести при сжатии
520
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
115. Характеристики физических свойств деформируемых магниевых сплавов
Сплав Коэффициент линейного расширения а-10* (при 20—200° С)г г/°С Коэффициент теплопроводности f кал(смс-°С) Удельная теплоемкость < кал/(г-°С) Удельное электросопротивление р, ОМ'ММ*'М
МА1 26,5 0,30 0,24 0,061
МА2 26,0 0,23 0,27 0,120
МА2-1 26,3 0,23 0,26 0,120
МА5 26,0 0,18 0,27 0,130
МА8 24,9 0,32 0,25 0,051
МАП 27,5 0,26 0,062
МА12 — —*
МА14 26,0 0,28 0,25 0,056
МА15 26,8 0,27 0,24 0,065
ВМС1 (порошок) 0,23 0,23 0,084
116. Характеристики технологических свойств деформируемых магниевых сплавов
Характеристика МА1< МА8 МА2 МА2-1 МА5 МА14 МА15
Температура, ®С: ликвидуса . 650 630 620 605 635 640
солидуса , . . . 646 565 545 430 515 540
Жидкотекучесть по длине спирали, мм • 680 600 640 750 575 580
Объемная усадка (между ликвидусом и солидусом), % . . . 1,8 1.6 1,25 1,25 1.4 1,35
Линейная усадка, % 6,4 5,0 4,2 3,8 3,2 3,2
117. Температура (®С) обработки давлением магниевых сплавов
Сплав Прессование Прокатка (листов) Ковка и горячая штамповка Листовая штамповка
МА1 320—380 360—400 350-440 250—350
МА2 320—360 440—320 420—320
МА2-1 320—360 360—400 390—350 250—320
МА8 380—420 400—450 420—350 230—350
МА14 300—360 •— 420—300 200—250 (профили)
МА15 330—380 300—350 380—250 200—300
МАП 410-430 390—440 460—350 350—400
Магний и его сплавы
521
118. Характеристики свариваемости деформируемых магниевых сплавов (аргонодуговая сварка)
Сплав Присадка Коэффициент прочности сварного соединения Угол загиба шва Д° Коэффициент трещино-образования КТр Коррозионная стойкость сварного соединения Примечание
МА1 Основной материал 0,86 70 <15 Удов- Сплав сваривается хорошо, не склонен к образованию зон микрорыхлоты при сварке
МА8 Основной 0,60 40 <45 летвори- Сплав сваривается
материал МА2-1 0,75 60 <35 тельная удовлетворительно, склонен к образованию зон микрорыхлоты
МА2-1 Основной материал 0,80 65 <30 То же
МА14 Проволо* ка марки СВ122 — <70 Неудовлетворительная Сплавсваривается плохо, имеет большую склонность к образованию зон микрорыхлоты
МА15 Основной материал 0,82 60 <35 Удовлетворительная Сплав сваривается удовлетворительно, несколько склонен к образованию зон микрорыхлоты
МА11-Т6 Проволока марки СВ27 0,76 <60 Неудовлетворительная Сплав сваривается плохо, имеет большую склонность к образованию зон микрорыхлоты
Сверхлегкие магниевые сплавы
Характерными особенностями этих сплавов являются низкая плотность (1,4—1,6 г/см3), повышенная пластичность и обрабатываемость давлением при температурах значительно более низких, чем обычных магниевых сплавов, высокая удельная жесткость и высокий предел текучести при сжатии, отсутствие чувствительности к надрезу, незначительная анизотропия механических свойств, высокая теплоемкость, хорошие механические свойства при криогенных температурах. В табл. 119 приведены состав и свойства магниево-литиевых сплавов.
119. Магняево-литиевые сплавы (горячепрессованные прутки)
Сплав Химический состав, % Плотность, г/см3 Область применения
Li А1 Zn Cd Мп Се
ИМВ2 ВМД5 * 7—10 10—11 4—6 0,5—1,0 0,8—2,0 2—2,5 3—5 0,15—0,4 0,1 —0,4 0,15—0,35 1,60 1,48 Для средненагруженных деталей, работающих при температурах до 100—125* С, и криогенных температурах, где требуются высокая жесткость и повышенная прочность при сжатии Для малонагруженных конструкций, работающих при нормальной и криогенных температурах; где требуются жесткость и повышенное сопротивление сжимающим нагрузкам
Сплав Характеристика механических свойств
ав’ кгс/мм’ СТ°;2’ кгс/мм2 кгс/мм2 б# % °н» кгм/см? Е, кгс/мм2 60 а100* кгс/мм2 100 а100» кгс/мм’
ИМВ2 ВМД5 * 21 — 28 16—22 16—25 12—18 18—24 13—18 8—25 15—40 0,5—1,0 2,5—4,0 4600 4500 10,0 5,5
* Сплав с высокой пластичностью.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Магний и его сплавы
523
Магниевые сплавы со специальными физическими и химическими свойствами
Сплав с высокой звукопроводностью МА17 (табл. 120). Свойства его приведены далее:
Коэффициент затухания ультразвука на продольных волнах (дБ/м) при частоте:
10 МГц
15 МГц
20 МГц
2-«3 3-5 5«8
Скорость распространения (м/с) волн: продольных , 5760 — 5840
поперечных , , 3040—3150
Температурный коэффициент задержки (1/°С) волн:
продольных поперечных Плотность, г/см8 ......................
Удельное электросопротивление, мкОм*см Предел прочности при растяжении, кгс/мм* Предел текучести, кгс/мм2 .
Относительное удлинение, % Твердость, НВ
(1,3—1,6)* 10”* (2,2 —2,4)* 10“* 1,75-1,76
5,32-5,34 19—21
11 — 14
12-14
40-52
Сплав с высокой демпфирующей способностью МЦИ (табл. 120) предназначен для отливки деталей, работающих в условиях воздействия вибрационных нагрузок. Демпфирующая способность сплава МЦИ в несколько десятков раз выше, чем магниевых сплавов, используемых в качестве конструкционных сплавов. Использование сплава МЦИ в конструкциях, подвергающихся вибрациям, даст возможность уменьшить массу и увеличить надежность и срок службы изделий, а также существенно снизить шум. Сплав хорошо сваривается аргонодуговой сваркой, отлично обрабатывается резанием и отличается довольно хорошей коррозионной стойкостью.
Характеристики свойств сплава МЦИ
Плотность, г/см3.........................
Удельное электросопротивление, мкОм*см •
Модуль упругости, кгс/мм2 Коэффициент Пуассона ..............................
Коэффициент линейного расширения (0—100° С), 1/°С Коэффициент теплопроводности, кал/(см*с*°C)
Предел прочности при растяжении, кгс/мм2
Предел текучести при растяжении, кгс/мм2 Относительное удлинение, %...........
Предел прочности при сжатии, кгс/мм2
Предел текучести при сжатии, кгс/мм2
Предел прочности при изгибе, кгс/мм2
Предел текучести при изгибе, кгс/мм2
Ударная вязкость, кгс*м/см2
1,75
5,9 4560 0,28 24,8 0,30 17-18
6 — 7 15-30 28—30
6 — 7 42—45
9—10 1,2—1.4
В табл. 120, 121 приведены состав и свойства протекторных сплавов и сплавов для защиты от коррозии газонефтепроводов и других подземных сооружений.
120. Магниевые сплавы со специальными физическими и химическими свойствами
Сплав Химический состав *, % Вид полуфабриката Назначение
А1 Zn Мп Се Zr Cd Y Hg Примеси (не более)
МА17 — — 0,2 —0,7 0,7 — 1,5 — — — — — Плиты катаные Для изготовления звуко-проводов ультразвуковых линий задержки
МА2-2 ** 2—2,5 0,7 — 1,2 0,15 — 0,35 — — — — — Плиты, листы Для изготовления клише в полиграфической промышленности
МЛ16 7,5 — 9,0 2,0 — 3,0 0,15— 0,50 — — — — — 0,2 Si 0,03 Fe 0,15 Си 0,01 Ni Литье и прессованные прутки Для защиты от коррозии газонефтепроводов и других подземных металлических сооружений
МЛ16п. ч 7,5— 9,0 2,0 — 3,0 0,15 — 0,50 0,06 0,005 0,01 0,001 — — То же То же
МЛ16в. ч 7,5— 9,0 2,0— 3,0 0,15— 0,50 0,04 0,003 0,003 0,001 — —
МЛ4в. 5,0 — 7,0 2,0 — 3,0 0,15— 0,50 0,05 0,003 0,004 0,001 — — Литье Протекторный еплав для защиты от коррозии мор* «ких судов
мци — 0,1 — 0,3 — — 0,4 — 0,7 0,4— 0,75 0,02— 0,05 — — Для изготовления деталей, работающих в условиях вибрационных нагрузок
Основа — Mg. Окончательный отжиг листов рекомендуется проводить при 200—230® С в течение 30 мин, затем охлаждение.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Титан и его сплавы
625
121. Электрохимические свойства протекторных сплавов
Сплав Потен ци ал t мВ Электрохимический эквивалент Г/(А-ч) Токоотдача А-ч/кг Коэффициент полезного использования, %
МЛ 4 МЛ4п. ч. МЛ16 МЛ16п. ч о А О ююо г-счсл счсч ю 111 1,125 0,75 0,87 йства выше, ч< 890 1330 1154 ем у сплава М 40 60 52 Л16
ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ
Титан
Титан имеет две полиморфные разновидности: a-Ti устойчив ниже 882,5° С, кристаллизуется в ГПУ-решетке типа АЗ с периодами при 20° С: а = 2,95111 ни 0,00006 А; с = 4,68433 + 0,0004 А; с/а = 1,5873.
fl-Ti — устойчивый выше 882,5° С, имеет ОЦК-решетку типа А2 с периодом а = 3,282 ф 0,003 А при 25° С (получено экстраполяцией) или а = 3,3065 А при 900° С.
Характеристики физических свойств
Плотность V, г/сма: для a—Ti при 20° С 4,507z»=0,0005
для p-Ti при 900° С . . 4,32
Температура плавления /пл, °C 1665=fc5
Температура кипения /кип, ®С................................... 3227
Температура перехода в сверхпроводящее состояние Тк, К . 0,4
Скрытая теплота плавления Фпл> ккал/моль 5,0
Скрытая теплота испарения QHcir ккал/моль . ... 112,5
Скрытая теплота полиморфного превращения Qnp a-Tl -> -> p-Ti, ккал/моль ....................................... 0,678±10%
Изменение энтропии aS при превращении a-Ti -> 0-Ti, кал/кг ..................................................... 0,587
Удельная теплоемкость при постоянном давлении ср, кал/(г*®С) при t, ®С:
ЮО 0,130
500 0,141
800 1100.........................................
Атомная теплоемкость при постоянном давлении, сд, кал/(г-атом* °C).........................................
Зависимость ср, кал/(г*°С), от температуры при t = Ое440°
Теплопроводность X, кал/(см* с* °C), при °C: 20
С*
0,148 0,164
0,0371 0,0364 0,0346 0,0229 0,0305
100
300
500
700
526
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Температурный коэффициент линейного расширения 10 %
1/°С, от 20° С до t, <: 100 8,3
300 92
500 97,5
700 99,5
800 100,5
Удельное электросопротивление р, Ом*мм2/м (при 20® С) для иодидного Ti . . . 0,42
для магниетермического Т1................................ 0,55
Температурный коэффициент удельного электросопротивления 1/°C ,, , , , 5,5* 10”®
Магнитная удельная восприимчивость %• 10% э. м. о.₽ при t, °Cj 20 . 3,270,4
-80................................. 1,25
Коэффициент сжимаемости асж*10®, см2/кга . . 0,797
Модуль упругости Юнга Е, кгс/мм2, при t, ®С: 20 , , 11 200—11 260
500 ............. . . 8000
Модуль сдвига G, кгс/мм2 . . 4100
Коэффициент Пуассона ц , . . 0,32
Работа выхода электрона, эВ ............................... 3,95—4,09
Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов $н, барн/атом 5,8 Интегральная степень черноты е: для a-Ti • 0,459 (710—.
870° С) для З-Ti ............................................ 0,42 (1398,9®С)
Зависимость давления пара Ti от температуры (1500—1800 К):
log ?атм = 7‘782 ~ ~ 0,000237*
Получение и механические свойства. Титан получают следующими методами: иодидным (содержание Ti до 99,95%), магниетермическим (содержание Ti в губке 99,3—99,7%), натриетермическим, гидридно-кальциевым и электролитическим.
Состав и характеристики механических свойств различных марок титана, полученных разными методами, приведены в табл. 122 и 123.
Влияние степени холодной пластической деформации на механические свойства отожженного титана показано на рис. 26.
При нагревании нагартованного титана происходит рекристаллизация, причем рост зерен особенно интенсивен в области существования P-Ti. Критическая степень деформации технического титана равна примерно 4%. Влияние отжига на механические свойства нагартованного титана показано на рис. 27.
Изменение механических свойств титана при нагревании (рис. 28) показывает, что чистый титан не является жаропрочным материалом. Сверхпластичность титана проявляется в интервале температур 800— 1000° С (при 800° С 6^ 115%).
Характеристики механических свойств титана при низких температурах приведены в табл. 124.
Механические свойства титана дают возможность применять его в криогенной технике.
Предел выносливости отожженного титана о_х = 16ч-18 кгс/мм2; усталостная прочность титана зависит от метода получения, типа термической обработки, обработки давлением, размера зерна (рис. 29).
Титан и его сплавы
527
Рис. 26. Влияние степени деформа-> ции на механические свойства отож« женного титана
Рис. 27. Влияние температуры отжига на механические свой-< ства нагартованного титана
Рис. 28. Влияние темпера* туры на механические свой* ства технического (/) и иодидного (2) титана
Температура испытании
Число циклов
Рис. 2 9. Влияние величины зер* на на усталостную прочность отожженного титана:
/ — 1200 зерен на 1 мм2; 2 — 1000 зерен на 1 мм2; 5—80 зерен на 1 мм2
122. Содержание примесей, % (не более), и твердость для титановой губки и титана промышленных марок
Марка Способ получения Полуфабрикат Fe Si С Ci N О Н Прочие НВ”
Иодидный Пруток 0,04 0,03 0,01 — 0,005 0,01 — 0,05А1 < 100
ТГ100 ** ТГ105 ** ТГ110 ТГ120 ТГ130 ТГ140 ТГ155 ТГ170 ТГ190 Магниетермический Титановая губка 0,06 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15 0,20 0,23 0,30 0,02 0,02 0,05 0,05 0,05 0,05 0,08 0,08 0,10 0,03 0,03 0,03 0,04 0,04 0,05 0,06 0,06 0,06 0,08 0,08 0,08 0,08 0,10 0,10 0,10 0,12 0,12 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 0,03 0,04 0,05 0,06 0,04 0,05 0,05 0,065 0,08 0,09 0,10 1 1 111 11 11 0,05 N1 0,05 N1 <100 101 — 105 106—110 111 — 120 121 — 130 131 — 140 141 — 155 156—170 171 — 191
ВТ1-00 *3 ВТ1-0 *8 ВТ1-1 Листы, поковки, штамповки, прутки 0,20 0,20 0,25 0,08 0,10 0,12 0,05 0,07 0,08 — 0,04 0,04 0,05 0,10 0,12 0,15 0,008 0,010 0,012 0,10 0,30 0,30 116—149 131 — 163
— Гидридно-кальциевый То же 0,35 0,1 0,05 — 0,07 0,003 0,35 / Са 0,08 1 Сг 0,07 —
— Электролитический Порошок 0,01 0,03 0,01 — 0,04 0,04 — — —
*3 ГОСТ 5.303 — 69* Для губки указана НВ плавленого Ti ГОСТ 19807—74.
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Титан и его сплавы
529
123. Характеристики механических свойств отожженного титана при 20° С
Способ получения Марка ав’ кгс/мм2 а0»2* , кгс/мм2 ъ % % ан* кгс-м/см2
Иодидный — 22—26 12—17 50—60 1 70—80 >25
Магниетермический ВТ1-00 ВТ1-0 ВТ1-1 30—45 40—55 45—60 ООСаЭЮ ооосл 111 СЛ^&О О ГО ОО >30 >30 >25 >60 >60 >50 12-15 10—12
124. Характеристики механических свойств титана ВТ1-0 при низких и сверхнизких температурах
/, °C ав> кгс/мм2 а°;2’« кгс/мм2 0., % % ан* кгс-м/см2
20 50 38 30 55 10
*—196 97 75 20 48 8
— 253 > 120 110 10 35 6
—269 121 87 35 58
12Б. Усталостная прочность титана при низких температурах
Температура испытания, °C О-1, кгс/мм2 %’ кгс/мм2 <а 1 О
20 18,6 41,4 0,45
— 60 24,2 47,3 0,51
— 196 47,3 85,0 0,56
формы образца, условий поверхностной обработки, температуры испытания (табл. 125) и других факторов. С повышением содержания примесей о_1 увеличивается.
Коррозионная стойкость. На 125. Усталостная прочность воздухе до 500° С Ti не окисляется, титана при низких температурах выше 500° С активно взаимодейст-вует с О2 и N2, причем на поверх- Темпе- s s я
ности изделий образуется твердый иРспТытаа- -Л
«альфированный» слой. ния, °C «*? 7
Из табл. 126 следует, что титан _____________b * b * ь
стоек в растворах HNO3, NaOH и NaCl; он практически не разру- 2^2 4^3 0*5?
шается в морской воде, однако ме- — 196 47^3 85’,о о’56
нее стоек в растворах НС1 и H2SO4. ______________________________
126. Коррозионная стойкость титана в водных растворах
Среда (растворимое вещество) Концентрация, % (по массе) Температура, Скорость коррозии, мм/год
H2SO4 10 35 50,0
НС1 10 35 42,0
NaOH 10 Кипения 0,84
NaCl Насыщенный Кипения 0,5
раствор
HNO3 10 35 0,5
Морская вода — 20 0,00003
530
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Технологические свойства. Чистый титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Примеси С, О, Н и N резко снижают пластичность титана. Титан хорошо сваривается дуговой сваркой в аргоне или гелии. Получаемые сварные швы могут деформироваться в холодном состоянии. Обработка резанием затруднена из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств титана.
Титановые сплавы
Взаимодействие элементов периодической системы с титаном показано на рис. 30.
а)
Рис. 30. Взаимодействие а-Ti (а) и 0-Ti (б) с другими элементами (ио И. И. Корнилову): 1 — непрерывные твердые растворы; 2 — ограниченные твердые растворы; 3 — соединения; 4 — эвтектические структуры; 5 — не взаимодействуют; 6 — не изучены; штриховка в клетку — ограниченные твердые растворы и соединения
Титан и его сплавы
531
Легирующими элементами в промышленных титановых сплавах являются Al, Мо, V, Сг, Мп, Sn, Zr, Fe, Nb, Si, Си, а примесями О, N, С и H. Соответствующие диаграммы состояния в областях, богатых Ti, могут быть классифицированы на 3 типа по характеру кристаллизации из жидкого состояния. В зависимости от особенностей превращения p-раствора при охлаждении в каждом типе могут быть выделены три вида (рис. 31).
По влиянию на стабильность а- и P-твердых растворов легирующие элементы разделяются на три группы:
1) а-стабилизаторы, — А1, О, N, С, В. Они расширяют а-область диаграммы состояния и стабилизируют a-фазу в условиях теплового и механического воздействия;
2) Р-стабилизаторы — Мо, V, Сг, Nb, Fe, Мп. Они расширяют P-область диаграммы и стабилизируют р-фазу;
3) «нейтральные упрочнители» Zr, Sn. Они мало влияют на протяженность а- и Р-областей.
Влияние легирующих элементов на механические свойства сплавов показано на рис. 32. Углерод, а особенно кислород и азот сильно упрочняют титан, сильно снижая его пластичность.
Химический состав важнейших отечественных деформируемых промышленных титановых сплавов приведен в табл. 127. К группе псевдо-а относятся сплавы, содержащие кроме основной a-фазы незначительные количества других фаз. Сплавы а и псевдо-а применяют в отожженном или нормализованном: состоянии (табл. 128). Сплавы (а Р) и Р подвергают, кроме того, упрочняющей термической обработке (табл. 129).
Неполный (рекристаллизационный) отжиг применяют с целью снятия наклепа для холоднодеформированных полуфабрикатов, а также для устранения внутренних напряжений, возникших при механической обработке или сварке.
Полный отжиг проводят после ковки и прокатки для снижения твердости, повышения пластичности и выравнивания состава, структуры и свойств по сечению изделий.
При термической обработке титановых сплавов в их структуре могут возникать метастабильные фазы а', а" и <о мартенситного типа, из них (6-фаза наряду с высокой твердостью отличается большой хрупкостью, поэтому присутствие ее в конструкционных титановых сплавах весьма нежелательно.
Характеристики физических свойств деформируемых титановых сплавов при 20° С зависят от их состава и обычно колеблются в следующих пределах:
Плотность V, г/см8..................... 4,4—4,9
Модуль нормальной упругости Е, кгс/мм1 10 500—12 500
Модуль сдвига G, кгс/мм1 .......................... 4 200 — 4 700
Температурный коэффициент линейного расширения
ар 1/°С............................................. (80—100) 10”»
Теплопроводность X, кал/(см* с* °C) .... (1,7—2,4) 10”1
Удельное электросопротивление р, Ом«мм2/м . . 0,8—1,8
Удельная теплоемкость ср при 100° С, кал/(г«°С) 0,10—0,13
Интегральная степень черноты е при 400° С 0,22 — 0,34
Характеристики механических свойств деформируемых титановых сплавов при комнатной температуре приведены в табл. 130—133, а по значением о_г — в табл. 136.
532
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
WaZr,Hf
Au,Sn
Рис. 31. Диаграммы состояния двойных сплавов на основе Ti по С. Г. Глазунову и В. Н. Моисееву:
(показаны области, богатые Ti): 1 — системы с непрерывными (0)-растворами; 1а — образование непрерывных а-растворов; 16 — распад 0-раствора с образованием а-раствора; 1в — эвтектоидный распад 0-фазы; 2 — эвтектические системы; 2а — эвтектоидный распад; 26 — перитектоидное превращение; 2в — полиморфный переход; 0-Ti -> a-Ti; 3 — перитектические системы; За — образование а-фазы; 36 — перитектоидное превращение; Зв — эвтектоидное превращение
Титан и его сплавы
533
Рис. 32. Влияние легирующих элементов на механические свойства Ti-сплавов:
— Р — стабилизаторы ।
—-----а — стабилизатор
— нейтральные
не образующие эвтектоидов (Мо, V, Nb, Та)
эвтектоидообразующие
(Fe, Мп, Сг, Со);
(А1);
упрочнители (Zr, Sn)
В табл. 134—137 приведены характеристики механических свойств деформируемых титановых сплавов в зависимости от температуры.
Коррозионная стойкость. К особо коррозионностойким относятся сплавы 4200 (Ti + 0,2% Pd), 4204 (Ti + 5% Та), 4201 (Ti + 30-ь ►т-33% Мо) и Ti + 20% Nb (для последних двух сплавов ов= 80-ь н-85 кгс/мм2; о0.2 = 75-ь 77 кгс/мм2; 6 — 10-ь 15%). Эти сплавы очень стойкие в 5% НС1, 5% H2SO4, 100% СН3СООН, 80% НСООН. Они легко деформируются и хорошо свариваются аргонодуговой сваркой, образуя пластичные и плотные сварные швы.
127. Содержание легирующих элементов (%) в промышленных деформируемых титановых сплавах
Группа Сплав А1 Мп V Мо Сг S1 Другие
ВТ5 * 4,3-6,2 — — — — — i—»
ВТ5-1 * 4,3—6,0 — — — — — 2,0—3,0 Sn
48Т2 2—3,3 —
а 480ТЗ 3,3-4,3 — — — — — 0,005 В
48Т7 1,8—2,5 — — — — — 2 — 3 Zr
3-11 2,5 —3,5 — — — — — 10,5 — 12 Sn
ОТ4 * 3,5—5,0 0,8-2,0 — — — — —
ОТ4-0 * 0,2 —1,4 0,2-1,3 — — — — —
ОТ4-1 • 1,0—2,5 0,7—2,0 — — — — —
ОТ4-2 5,7—6,7 1,0—2,3 — — — — 0,5 —1,5 Nb;
ВТ18 7,2 —8,2 0,2 —1,0 0,05 — 0,18
Псевдо-а 10 — 12 Zr
ВТ20 • 5,5—7,5 — 0,8-1,8 0,5—2,0 — — 1,5—2,5 Zr
АТ2 — — — 0,8—1,8 — — 2—3 Zr
АТЗ 2,5 —3,5 — — — 1,5 (Fe, Сг, Si)
АТ6 5-6,5 — — — 1,5 (Fe, Сг, Si)
ТС5 5 — 2 — — — 2 Zr; 3 Sn
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Продолжение табл. 127
Группа Сплав А1 Мп V Мо Сг Другие
ВТЗ-1 • 5,5—7,0 — ►— 2,0—3,0 0,8—2,3 0,15—0,40 0,2 —0,7 Fe
В Тб 5,5-7,0 — 4,2—6,0 1“* —
ВТ6С ♦ 5,3—6,8 — 3,5—5,0 -=. — .
ВТ8 6,0—7,3 — — 2,8—3,8 — 0,20—0.40
ВТ9 • 5,8—7,0 — — 2,8-3,8 — 0,20—0,35 0,8—2,0 Zr
ВТ14 • 3,5—6,3 — 0,9-1,9 2,5—3,8 —
ВТ16 • 1,8—3,8 — 4,0—5,5 4,5-5,5 — — 1^—
а + ₽ ВТ22 • 4,4—5,9 — 4,0-5,5 4,0-5,5 0,5—2,0 — 0,5—1,5 Fe
ВТ23 4,0—6,3 — 4,0—5,0 1,5-2,5 0,8-1,4 — 0.4—0,8 Fe
ПТ-7М * 1,8—2,5 — » — — — 2,0—3,0 Zr
пт-зв • 3,5 —5,0 — 1,2—2,5 — — —
ИРМ1 4—5 — — — — — 4—5 Nb
f 4-5 Nb
ИРМ2 5—6 — — — — — t 0,1—0,2 Re
ИРМЗ 3—5 — — 3-5 — — —»
ВТ15 2,3—3.6 — — 6,8—8,0 9,5—11,0 — <1,5 Zr
0" ИВТ1 3 — — 7 5,5 — 3 Fe
ТС6 3 — 6 4—5 10-П я»»
• ГОСТ 19807—74.
•• Сплавы с термически нестабильной p-фазой («псевдо»-р-сплавы).
П р и м е ч а н и е. Сплавы классифицированы по структуре в отожженном состоянии.
Титан и его сплавы
536
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
128. Температуры отжига (нормализации) деформируемых а- и псевдо-а-сплавов
Сплав Температура отжига, °C
Полный отжиг Неполный отжиг
ВТ5 800—8Б0 • 550—600
ВТБ-1 800—850 • 500-600
48Т2 750—780 650-680
480ТЗ 830 650
48Т7 800—830 650-680 •••
ОТ4 740—760 • 545-585 *
ОТ4-0 690—710* 480—520 •
ОТ4-1 640-660 •• 520—560 ••
ОТ4-2 840—861 • 600-650
ВТ20 700—800 •• 600-650 •*
АТ2 600—650 520—560 *♦
АТЗ 800—850 545-585
АТ6 900 650-700
• Прутки, поковки, штамповки, трубы, профили и детали из них. * * Листы и детали из них. * •• После сварки.
В табл. 138—140 приведены составы и характеристики механических свойств литейных титановых сплавов.
В табл. 141 дана примерная классификация титановых сплавов по основным технологическим и эксплуатационным характеристикам, пределу прочности и предельным рабочим температурам.
Хорошо свариваются чистый титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1), а также титановые сплавы (ВТ5-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, 48Т2, 480ТЗ, 48Т7, 3-11» ОТ4-1, АТ2, АТЗ).
129. Режимы термической обработки (а + ₽)• и 3-титановых сплавов (прутки, поковки, штамповки)
Сплав Отжиг при температуре, °C Температура закалки 44 G °C Старение
Неполный Полный Изотермический °G Время Xi ч
ti Время выдержки (ч) при
ВТЗ-1 530—620 800—850 870—920 600-650 « 2 840—900 500—620 1—6
В Тб 600-650 750—800 800-850 750 или 500 0,5 900—950 450—550 2-4
ВТ6С 600-650 750—800 800-850 750 или 500 0,5 880—930 450—500 2—4
ВТ8 530—620 — 920—950 570—600 1 920—940 500—600 1-6
В T9 530—620 — 950—930 530—580 6 920—940 500—600 1—6
ВТ14 550-650 740—760 790—810 640—660 0,5 870—910 480—560 8—16
ВТ16 — 770 — 790 770—790 500 •» 800—820 540—570 6—10
ВТ22 550 — 650 720—780 650-750 350 •• — 690—760 500-560 8-^16
ИРМ1 — 750—800 — — — — — —
ИРМ2 — 800 — — — — — —
ИРМЗ — 920 — — — — — —
| 450—500 15—25
ВТ16 — 790-810 — — — 700 — 800 t 550—570 0,25
ИВТ1 — — — — — 800 550 15 41
ТС6 — — — — — 700 •» 480 10
Охлаждение на воздухе.
Охлаждение: с до tt со скоростью 2—4 С/мин, далее на воздухе.
•s Охлаждение: с Л до Г. с печью, далее — на воздухе.
*♦ Охлаждение в воде.
После закалки — деформация на 20—40%.
Титан и его сплавы
130. Характеристики механических свойств при 20° С полуфабрикатов из промышленных а? и псевдо-а-титановых сплавов в отожженном состоянии
Сплав Поковки, штамповки, прутки Листы (1—2 мм) Профили НВ
ств-кгс/мм2 0. % % кгс-м/см2 ав' кгс/мм2 °°;2Г _ кгс/мм2 да % °в« кгс/мм2 б» % %
ВТ5 75-90 10—14 25-40 3—6 70—95 8-16 30-50 229—321
ВТ5-1 80—95 10—15 25—40 4—8 75-90 >10 • 80—100 10 >25 • 241—321
48Т2 60—78 17—28 40-55 6—12 70—90 65—83 12—26 — —
480ТЗ >70 >15 >40 >6 В—1 •ив — —
48Т7 60—69 18—23 40—53 7—12,5 м в-» — — <—•
3-11 — — — 100-115 90—100 9—16 i— — — 285-295
ОТ4 70—90 10-20 34-55 3,5-10 70—90 55—66 15-26 75-90 8 >30 ♦ 207 — 285
ОТ4-0 50—65 >15* >45 • >7* 50—65 — 30—40 — — 156 — 207
ОТ4-1 60—75 15-25 35—70 5 — 12 60-75 — 20—40 60—75 12 >35 • 197—255
ОТ4-2 100—110 10—13 30—36 4-8 100—120 — 10—15 в—в •-< 255—341
ВТ18 95—100 14—22 24—54 2—4,5 100—120 — >10 Р-В ван —
ВТ20 95-110 — — 95—115 — 8—12 92 — 102 12—18 36-52 255-341
АТ2 60—75 15—25 50-70 15-20 60—75 — >20 — — 1—» 195-250
АТЗ 60—75 10—20 25—40 4-10 70—85 60-75 16—24 — — — HV 300
АТ6 100—110 10—15 25—40 4-7,5 ыч — — —
ТС5 • •— ГарантирО] зано по ТУ F НИ 95—110 нм >8 *-•
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
131. Характеристики механических свойств при 20° С полуфабрикатов из промышленных (а 4* ₽)-титановых сплавов
После отжига После закалки и старения
Сплав Полуфабрикат ов, кгс/мм* б, % Ф# % a_lt кгс/мм* ан< кгс-м/см* НВ *2 2 £ е> б, % Ф? % ан, кгс-м/см* НВ \
ВТЗ-1 Штамповка 104-118 14—20 45—60 40—50 3—4 269 — 363 115—120 10—12 32—48 — 302—415
В Тб То же 95—110 10—13 35-60 — 4 — 8 255 — 341 110—125 * >6 • >20 * — 293—361
ВТ6С » 85-100 >12 >25 — 5—8 241—321 >110 >8 — — —
ВТ8 1 » 105—125 10—18 32 — 55 40—50 3-5 330 >120 • >6* >20 • — —
В T9 » 110—130 8—14 25 — 45 >54 2-5 >120 • >6* >20 • —
ВТ14 » 85—90 10—15 35—62 — 5—9 255-341 115-130 6-15 17 — 42 >5 302-388
ВТ14 Лист 90—107 8—10 — — — — 120—140 6—10 — >3 —
ВТ16 Лист 1,2 мм 84—104 12—22 — — — — 130—140 5—6 — 4—6 302 — 415
ВТ22 Пруток 110—125 10—17 20 — 65 — 285 — 363 140—155 5-6 35-50 >3 341—444
ВТ23 Лист 110—120 10—13 — 5—7 255—270 145-160 4—6 — 5 — 7 300 — 420
ИРМ1 » 85—96 17—19 >52 >42 7—10 — — — — — —
ИРМ2 » 85—97 7—13 34 — 41 — 6,3 —8,1 — — — — — —
ИРМЗ » 80 — 85 14-16 46 — 56 — 10-13 — — — — — —
* Свойства. гарантированные по ТУ для катаных прутков диаметром 20—60 мм.
Титан и его сплавы
540
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
132. Характеристики механических свойств при 20° С промышленных 0-титановых сплавов после термической обработки
Сплав Полуфабрикат ав' кгс/мм8 а°.2' кгс/мм’ б, % ан» кгс-м/см2 НВ
ВТ15 Лист 90—105 85 10—25 6—7
135-150 118 4—8 2,5 341 — 444
ИВТ1 Пруток — — —
140—170 7—10 — —
ТС6 Лист — — —
158-163,5 ♦ 152—159,0 5,5—6,0 — 341—444
* После закалки деформация на 20 или 40%.
П р и м е ч а и и е. В числителе —• данные после закалки, , в зна-
менателе — после закалки и старения.
133. Характеристики механических свойств сплавов типа СТ
Характеристика механических свойств при 20° С Кратковременная прочность (кгс/мм2) при температуре. qiooHhodi Максимальная температура эксплуатации, °C
Сплав и Ж И О б. % % ‘Ф X Я а о 8 g § i [Длительная г | а100 • кгс/мм’ длительной кратковременной
СТ1 105—110 12 — 14 40—43 4—5 66 42 22 10 8 600 750
СТ4 130—140 4 — 8 8—12 120 85 45 30 12 800 850
СТ6 125—140 10—14 18—22 3-5 95 70 40 23 9 600 800
Титан и его сплавы
541
134. Кратковременная прочность деформируемых титановых сплавов и предельные температуры их эксплуатации
Сплав Предельная температура эксплуатации, °C
э Ооог Э оООе 400е С 500° С Э о009 700° С и 8 00 длительной кратковременной
ВТ5-1 68 20 57 17 63 15 50 20 38 26 35*1 24 — 450 800—850
ОТ4-2 80 20 74 20 70 18 65 23 48 45 — — 450—500 750—800
ВТ18 — ** 90 10 88 13 77 13 65 20 38 40 550 650—700
ВТ20 78 19 73 18 70 15 65 13 47 18 — — 500 800
ВТЗ-1*» ПО 6 105 6 95 6 85 8 53 17 — — 400—450 —
ВТ8 88 82 75 68 40 20 500
12 12 12 18 40 80
В T9 99 14 85 14 75 14 70 16 40 30 20 80 550 650—700
ВТ14*2 105 100*» 90 84 38—43 15—18 400 750
И 8 7 15 30—35 35—55
ВТ22 128 6 120 6 115 5 100 8 60 18 — — 350—400 750—800
ВТ15*1 125 7 120 6 115 5 95 8 41 44 20 104 — 150—250 750-800
*2 При 650° С. Данные для термически упрочненного При 350° С. сплава.
П р и м е ч а 0» (%). н и е. В числителе ов (кгс/мм2) , в знаменателе —* /
542
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
135. Пределы длительной прочности и ползучести деформируемых титановых сплавов
Сплав 350° С 400° С
ВТ5-1 54*1 38* 2 39*1
ОТ4-2 72 56 67 42
ВТ18 — —
ВТ20 75 55 —
ВТЗ-1** — 95 60
ВТ8 — —
В T9 79 — 82 59—62 78—80
ВТ14** Тз- 68 35
ВТ22 100 62 85 32
ВТ15 95 53 74
450° С 500° С 600° с 650° С
— 17*1 5* 2 — —
55 30 11 — —
— 65—70 37 30—33 10—12 19 7
— 49 17 20*» —
60*» 25 36 — —
70—75 50-55 38*»
35—48 23—25 8—10
74-80 50 60-68 35-40 40*» 16 23 5.5
54 — X —
35 'X —
*Х а1000-
** а0,2/1000-
♦’ При 550° С.
** Для термически упрочненного сплава.
*6 а500-
Примечание. В числителе одоо (кгс/мм2), в знаменателе — °0,2/100 (кгс/мм2).
136. Пределы выносливости (на базе 102 циклов) титановых сплавов
Сплав При 20° С При нагреве Сплав При 20° С При нагреве Сплав При 20° С При нагреве
а-!» кгс/мм2 tf °C П-!» кгс/мм2 кгс/мм2 tf °C CT-о кгс/мм2 a-ii кгс/мм2 t9 °C (У— кгс/мм2
ВТ5 45 — — ОТ4-2 38-41 400 500 34-39 28 ВТ8 50—53 500 40—44
ВТ5-1 37—42 300 500 35-37 26—27 ВТ18 46-56 600 40—43 ВТ19 54—57 500 42—44
48Т2 30-35 — — ВТ20 42 500 36 ВТ14 • 42—44 400 38
48Т7 38 350 27,3 АТЗ 40 250 40 ВТ16 — 300 500 33 21
ОТ4 38—42 400 23 — 26 ВТЗ-1 48—62 400 450 45—49 38 ВТ22 58 350 48
ОТ4-0 30 400 22 ВТ6 ♦ 55 400 44 ИР М2 42 — 43 — —
ОТ4-1 36 — 37 400 20—21 ВТ6С 40-53 350 29—43 ВТ15 28 400 26
Термически упрочненный.
Титан и его сплавы
Си 4* ОЭ
544
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
137. Характеристики механических свойств деформируемых титановых сплавов при низких температурах
Сплав ов (кге/мм2) при температуре, °C б (%) при температуре, °C пн (кгс-м/см2) при температуре, °C
—196 -253 —269 -196 —253 -269 -196 —253
ВТ5-1 • 120—135 135— 160 171,0 15 8-10 9,3 4,0 3,0
48Т7 104—112 — — 17—32 — — 3-4 В—
ОТ4 • 143 156 — 13 16 — 5 4
ОТ4-1 108 139 — 19,4 17,5 — — —
АТ2 ♦ 110-130 130— 145 150 25-30 10—18 10 10—18 8—15
ВТЗ-1 165 206 202 6,5 7,5 3 2,5—4 •—
В Тб 164 182 17,8 3,5 — 3,9 4,0
ВТ6С ♦ 131 158 — 7-10 3—6 — 4 2,5
ВТ14 * 165 — — 10 •— — 1,8—2,5 —
ИРМ1 ♦ 137 — — 15 — — 2,8 —
ИРМ2 141 — — 10 — — 2,5—2,9 •—
ВТ15 204 — 3,6 — —
* Сплавы, рекомендуемые для криогенной техники.
138. Содержание легирующих элементов (%) и характеристики механических свойств титановых литейных сплавов при 20° С
Марка А1 Сг Мо Fe Другие ав-кгс/мм* 6», % кгс-м/см2 a-l’ кгс/мм2
He менее
ВТ1Л — — — — 35 10 4 —
ВТ5Л 4.1—6.2 — — — — 70 6 3 28
ВТЛ1 5,0—5.5 — — — 0,8—1,2 Si 100 5 2 —
ВТЗ-1Л 5.3-7.0 0,8—2,3 2,0-3,0 0,2 —0,7 0,15-0,40 Si 95 4 2,5 22
ВТ6Л 5,0—6,5 — — — 3,5-4,5 V 85 5 2,5 20
В T9 Л 5,6—7.0 2,8—3,8 Zr . Si 95 4 2 18
0,8—2,0 ’ 0,2—0,35
ВТ14Л 4,3-6,3 — 2,5—3,8 — 0,9-1,9 V 90 5 2.5 27
ВТ20Л 5,5—7,5 0,5—2,0 Zr . V 90 5 3 20
1,5—2,5 ’ 0,8—1,8
ВТ21Л 5,8—7,2 0.2 —0,5 0,4-1,0 Zr V 100 4 2 20
4—6 0.8—1,5
* На базе 2-10’ циклов.
Титан и его сплавы
546
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
139. Характеристики механических свойств литейных титановых сплавов при кратковременных испытаниях и различных температурах, °C
Сплав ов, кгс/мм2 б, %
-70 300 400 500 -70 300 400 500
ВТ5Л 85 40 35 30 6 8 10 13
ВТЗ-1Л НО 73 63 3 •— 9 10
В Тб Л <— 55 50 — <— 9 9 г—
ВТ9Л • — 71 66 64 — 9 7 8
ВТ14Л <— 63 55 —, — 8 8 —
ВТ20Л ПО 67 61 56 5 10 10 12
ВТ21Л 120 70 67 63 2 10 11 12
* При 800° С: oB=2f > кгс/мм2; 6 = 5%.
140. Пределы длительной прочности и ползучести литейных титановых сплавов при различных температурах, °C
Сплав 300 400 500 550
ВТ5Л ВТЛ1 ВТЗ-1Л В Тб Л ВТ9Л ВТ14Л ВТ20Л • ВТ21Л ♦ При 35 40 53 65 50 60 47 °° С: а100 = 6С 35 28 63 72 47 47 62 46 60 43 ) кгс/мм2, (JQ 2I 43 50 28 43 16 ♦44 18 /100 = 45 «гс/и 35 20 1М2.
Примечание. В числителе » одоо (кгс/мм2), в знаменателе — 00,2/100 (кгс/мм2).
Тугоплавкие металлы
547
141. Классификация деформируемых титановых сплавов по параметрам, характеризующим области применения
Сплав Основная характеристика кгс/мм* Предельная рабочая температура ЪС
ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1, ОТ4-0, ОТ4-1, АТ2 Пластичные низкой прочности 30—75 100—200
ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, АТЗ Пластичные средней 70—90 200—300
ОТ4-2, ВТ20, АТ6, ВТ6С, ИРМ-1, ИРМ-2, ИРМ-3. прочности Конструкционные повышенной прочности 85 — 120 350—450
ВТ6
ВТ14, ВТ16, ВТ22, ВТ15, Высокопрочные 90—160 300—400
ИВТ1, ТС6, ВТ23
ВТ18, ВТЗ-1, ВТ8. ВТ9, Жаропрочные > 1Q0 600 — 700
СТ1, СТ4, СТ6
ВТ5-1, ОТ4, АТ2, ВТ6С, ВТ14, ИРМ-1 Сплавы для криогенной техники >60 —
4200, 4201, 4204 Высококоррозионностойкие 60—100
Применение титановых сплавов. Вхимической и бумажной промышленности: реакторы для агрессивных сред, выпарные аппараты, насосы, теплообменники, вентили, центрифуги, опреснительные установки. В пищевой промышленности: котлы, холодильники, резервуары для органических кислот и ряда пищевых сред. В авиастроении: каркас и обшивка самолетов, топливные баки, компрессоры реактивных двигателей. В турбостроении: диски и лопатки турбин. В судостроении: обшивка корпусов судов, гребные винты, насосы. В нефтяном машиностроении: трубы, используемые при бурении, облицовка стальных эстакад. В электронной и вакуумной технике: газопоглотители, детали электронновакуумных приборов, конденсаторы, металло-керамические лампы. В медицинской промышленности: аппаратура для изготовления медикаментов, медицинские инструменты, внутренние протезы.
Титан и его сплавы применяют также в приборостроении, криогенной технике и т. п.
ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ
Тугоплавкие металлы служат основой для создания новых конструкционных материалов высокотемпературной техники. Особо перспективны жаропрочные сплавы на основе ниобия, тантала, молибдена и вольфрама.
Важнейшие физические характеристики этих металлов приведены в табл. 142
*
548
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
142. Важнейшие характеристики физических свойств ниобия, тантала, молибдена и вольфрама
Свойства Nb Та Мо W
Атомный номер 41 73 42 74
Относительная атомная масса . , . Наименьшее междуатомное расстоя- 92,91 180,95 95,95 183,92
ние 2,85 2,85 2,72 2,74
Кристаллическая структура ОЦК ОЦК ОЦК ОЦК
Параметр решетки, А 3,2941 3,3074 3,1474 3,1652
Плотность, г/см8 8,57 16,8 10,2 19,4
Температура плавления, ®С 2468 3000 2625 3410
Температура кипения, *С .... Скрытая теплота плавления, 5127 6100 4800 6700
ккал/моль Теплота сублимации в точке плавле- 6,4 5,9 6,6 8,4
ния, ккал/моль Удельная теплоемкость при 2б ®С, 155 183,9 134,5 210
ккал/(г-° С) 0,065 0,033 0,061 0,032
Теплопроводность, кал /(см. с. ®С) Коэффициент линейного расширения 0,125 0,13 0,35 0,48
(0—1000® С) а.Ю-«, 1/®С .... Удельное электрическое сопротйвле- 7,0 6,6 5,2 4,5
ПА ©/. Ом.мм8 ние при 20 °C, Температурный коэффициент электро- 0,145 0,131 0,57 0,65
сопротивления Р*10”8, 1/°С . . . 3,0 3,82 4,79 4,80
Ниобий
Получение и обработка. Компактный ниобий получают металлокерамическим или металлургическим путем.
Фасонные отливки можно получать из литого металла также элек-тродуговой или электронно-лучевой плавкой с гарниссажем.
Полуфабрикаты из слитков получают горячей деформацией, ковкой, прокаткой или прессованием. Ковку производят при 1000—1500° С (нелегированный металл) или при 1400—1700° С (сплавы). Прессование ведут при 1400—1550° С. При температуре выше 1500° С процесс прессования сопровождается сильным износом инструмента вследствие высокой активности ниобия и особенно его окисла (температура плавления /Пл= 1450° С), который, затвердевая, при контакте с менее нагретым инструментом схватывается с поверхностью очка матрицы.
Повторные операции обработки давлением предварительно деформированного металла производят при более низких температурах (500—700° С) или в холодном состоянии. Между операциями слитки подвергают отжигу в вакуумных печах. Промежуточный отжиг наклепанного металла для восстановления пластичности ведут при температурах выше 1300° С. Температура окончательного отжига деформированных полуфабрикатов не должна превышать 1300° С.
Температура начала рекристаллизации ниобия дуговой плавки составляет около 1050—1075® С, а более чистого металла электроннолучевой плавки после деформации на 75% — около 930—965° С.
При нагревании на воздухе ниобий активно поглощает газы и охрупчивается. Поглощение кислорода начинается около 200° С. При температуре выше 400° С металл быстро окисляется, а при 1350—1400° С окисел начинает испаряться. Растворенный кислород оказывает наи-
Тугоплавкие металлы
549
(эй,кгс1мм2
более вредное влияние на пластичность ниобия. Снижают пластичность (деформируемость) также азот, водород, углерод. Поэтому металл, предназначенный для производства полуфабрикатов в виде листов, труб и т. п., должен содержать не более 0,03% кислорода, а общее количество примесей внедрения не должно превышать 0,04—0,05%.
Для защиты ниобия от окисления в процессе нагрева под деформацию применяются установки с нейтральной атмосферой (аргон или гелий). Промежуточный отжиг деформированных полуфабрикатов проводят в вакуумных печах. Можно применять также покрытия жаростойкими эмалями, напыление металлами, дающими защитные окислы (хромом, алюминием), или оболочки из нержавеющей стали. Многократные и продолжительные нагревы в процессе обработки нежелательны, так как приводят к загрязнению металла на значительную глубину и охрупчиванию его с образованием трещин в поверхностном слое. Ниобий рафинируют от поглощенных газов нагреванием в вакууме не ниже 1 • 10"1 мм рт. ст. При нагреве до 700—900° С из металла выделяется водород, а при 1200— 1400° С—азот. Для удаления кислорода необходим нагрев до 2000—2200° С.
Металл высокой чистоты очень пластичен и отличается незначительной склонностью к наклепу. Его можно деформировать вхолодную с обжатиями 90% и выше без промежуточных отжигов. Высокая пластичность ниобия сохраняется и при низких температурах вплоть до —196° С.
При обработке ниобия резанием следует иметь в виду, что он подобно
нержавеющей стали налипает на инструмент и для охлаждения последнего необходимы специальные жидкости или эмульсии.
Ниобий легко поддается практически всем видам сварки, за исключением ацетилено-водородной. Однако сварку следует вести в вакууме или инертной среде. Наиболее пластичный шов получается при электронно-лучевой сварке. Ниобий сваривается со сталью, никелевыми и кобальтовыми сплавами, титаном, возможна также сварка с вольфрамом и молибденом (преимущественно диффузионная).
Механические свойства. Механические свойства нелегированного ниобия в значительной мере зависят от его структуры, содержания примесей, вида обработки и т. п. Прочность ниобия, полученного дуговой плавкой, выше, а пластичность ниже, чем у ниобия электронно-лучевой плавки (рис. 33). Чистый ниобий не отличается высоким уровнем прочности при повышенных температурах (табл. 143).
Взаимодействие с различными средами. Ниобий коррозионностоек в неорганических и органических кислотах, в растворах солей и аммиака. Едкие щелочи КОН и NaOH растворяют ниобий.
Рис. 33. Зависимость предела прочности при растяжении н№ обия различной степени чистоты от температуры:
1 — Nb дуговой плавки; 2— Nb электронно-лучевой плавки после ковки в холодном )стоя-нии; 3 — Nb дуговой плавки после ковки в холодном состоянии; 4 — Nb высокой чистоты, рекристаллизованный;
5 — Nb дуговой плавки, рекристаллизованный
550
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
143. Характеристики свойств отечественных ниобиевых сплавов и нелегированного ниобия
Марка (состав сплава, % по массе) Полуфабрикат Состояние (вид обработки) Эо •} СВ’ кгс/мм2 •о кгс/мм2
Nb Пруток Электронно- 20 34 30 —
лучевой ре- 800 31 35 —
кристалл и- 1050 13 42 7
зованный
Лист Деформиро- 56
ванный 20 5 —
ВН-2 20 75 18—28
(3,8—5,2 Мо; Пруток Деформиро- 1200 18—20 45—55 —
0,05С) ванный 1000 50 25 —
1100 40—45 35
Лист Рекристаллизованный 1100 31 — 35 20—25 9
Деформиро- 1500
ванный 8—10 35 —
ВН-2А 20 80—90 4—5
(3,5—4,7 Мо; Деформиро- 1100 45 10 13
0,5 —0,9 Zr; Лист ванный 1200 30 12
0,080 1500 10 17 —
Пруток Рекристал- 1100 26—30 22—26
лизованный 1200 24—26 26 —
ВН-3 20 75-80 16—20
(4—5,2 Мо; Пруток Деформиро- 1100 45 21—24 16
0,8—2,0 Zr; ванный 1200 25—29 26
0,08—0,160 1500 12,5 40—43 —
ВН-4 20 81 16
(8,5—10,5 Мо; 1—2 Zr; 0,Ol- Пруток Рекристал- 1100 70 28
лизованный 1200 55 15
О. 05 La или Се; 0,25-0,40 С) 1500 17 24 —
ВН-5А 20 58-61 25—29
(5—7 Мо; 0,5— Рекристал- 1100 33-35 12 — 14 14
0,9 Zr; 0,015 — 0,04 La или Се; Лист лизованный 1500 10— 10,5 30—35 —
0,08—0,15 С)
РН-6 20 1200 1800 89 29 9,3
(4,5—6 Мо; 4,5—6 W; 1 — 1,5 Zr) Пруток Рекристаллизованный — И
Тугоплавкие металлы
551
Продолжение табл. 143
Марка (состав сплава, % по массе) Полуфабрикат Сое тонне (вид обработки) Эо Ч । СВ’ , кгс/мм2 6, % Oi°o. кгс/мм2
МН-1 Рекристаллизованный 20 1100 1200 67 38 26 18 20 23 25 И
Пруток Закаленный 20 1100 1200 76 41 45 17 20 23 24 28
МН-2 Рекристаллизованный 20 1100 1200 105 60 45 4 8 10 36 26
С расплавленными щелочными металлами Na, К, Li, Bi ниобий не взаимодействует до относительно высоких температур.
Сплавы. Характеристики свойств важнейших отечественных ниобиевых сплавов приведены в табл. 143.
Применение. Ниобий — один из основных компонентов при легировании жаропрочных сталей и сплавов. Сплавы ниобия применяют в химическом машиностроении, в радиоэлектронике вместо дорогого тантала (экраны, катоды мощных генераторных ламп, аноды некоторых типов ламп, трубки, сетки с максимальной рабочей температурой 2100° Сит. д.), в ядерных реакторах, в качестве материала оболочек тепловыделяющих элементов и емкостей для расплавленных металлов, в авиации (лопатки газовых турбин авиадвигателей). Относительно новая область применения ниобия — в качестве основы сверхпроводящих материалов, так как у ниобия максимальная среди металлов температура перехода в сверхпроводящее состояние (8,9 К). Так, у сплавов системы Nb—Zr критическое магнитное поле достигает 80 кГс, плотность критического тока (4—брЮ4 А/см2 и температура перехода в сверхпроводящее состояние 11 К. Высокими сверхпроводящими свойствами (18,1 К) отличается соединение Nb3Sn, на базе которого уже созданы сверхпроводящие магниты на 100, 130 кгс и выше.
Тантал
Получение и обработка. Компактный тантал обычно получают из порошка. Порошок тантала прессуют на гидравлических прессах (при усилии до 3000 тс) в штабики массой 2,5—10 кг и спекают в высоком вакууме при температурах до 2600° С путем пропускания через них электрического тока, затем проковывают вхолодную и подвергают вторичному спеканию, после чего путем холодной пластической деформации получают лист, фольгу или проволоку. Заготовки большой массы получают переплавлением спеченных штабиков в дуговых вакуумных или электронно-лучевых печах в слитки различной массы,
552
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
которые при необходимости подвергают холодной пластической деформации до нужного профиля.
Металлический тантал при нагревании интенсивно поглощает газы, являясь хорошим геттером. При этом уменьшаются его пластичность, магнитная восприимчивость, коррозионная стойкость, увеличиваются прочность, твердость, электросопротивление.
От поглощенных газов тантал очищают нагреванием в вакууме не ниже 1-Ю”4 мм рт. ст. Водород выделяется при 800—1200° С, заметное выделение азота происходит выше 1800—2000° С и достигает максимума при 2400—2450° С. Кислород начинает выделяться при 1350—1400° С в виде СО, если в металле присутствует углерод, а также в виде окислов элементов—примесей. Интенсивное выделение этого элемента происходит при 1900° С. Эффективные методы очистки тантала от газов — спекание в вакууме, вакуумная дуговая и особенно электронно-лучевая плавка.
В связи с повышенной способностью поглощать газы все операции нагрева тантала проводят в высоком вакууме или атмосфере очищенных инертных газов — аргона или гелия.
При комнатной температуре тантал свободно куется и прокатывается в лист, а выплавленный электронно-лучевым методом металл еще более пластичен и при деформации допускает большие степени обжатия. Тантал отличается малой склонностью к наклепу, что дает возможность деформировать его со степенями обжатия 90—95% без промежуточных отжигов. Высокая пластичность тантала сохраняется и при низких температурах (—200° С).
Горячую пластическую деформацию тантала не применяют, так как при нагреве металл окисляется, что вызывает необходимость удаления окисленного слоя механической обработкой и приводит к значительным потерям металла.
Тантал хорошо поддается многим видам сварки, кроме ацетиленоводородной. Однако сварку проводят в вакууме или инертной среде. Чаще всего применяют аргонодуговую сварку плавлением, а также сварку электронным лучом. Пластичность шва в первом случае получается несколько ниже пластичности основного металла, но тем не менее она достаточно высока. При электронно-лучевой сварке поглощение швом газов почти полностью устраняется. Тантал хорошо сваривается с нержавеющей сталью, никелевыми сплавами, медью, титаном, цирконием. Возможна также сварка с вольфрамом и молибденом.
Механические свойства. Механические свойства тантала в значительной мере зависят от чистоты и состояния, т. е. от способа получения и обработки.
Большее влияние на свойства оказывают примеси О, N, С, Н. С увеличением их содержания повышаются твердость и прочность тантала, а пластичность понижается. Особенно ухудшает пластичность водород. С повышением содержания О до 4 атомных % твердость тантала увеличивается до HV 630, Е — с 18 100 до 19 640 кгс/мм2, а 6 снижается с 39 до 4%.
Характеристики механических свойств при 20° С тантала, полученного различными методами, приведены в табл. 144.
При высоких температурах испытания (1500° С и выше) чистота тантала практически не влияет на его свойства.
Взаимодействие с различными средами. Тантал отличается наиболее высоким из всех тугоплавких металлов сопротивлением коррозии и по
Тугоплавкие металлы
553
144. Характеристики механических свойств тантала при 20° С
Способ получения (содержание примесей внедрения, %) ав> кгс/мм* б, % Ф. %
Электронно-лучевая плавка (0,0016 О; 0,001 V; 0,00014 Н и 0,003 С) . 19-23 50 90
Порошковая металлургия (0,0056 О; 0,013 N; 0,02 С) .... 27—46 40 85
Холоднодеформированный: прокатка 70—80
волочение 126 — —
химической стойкости близок к платине. Он почти не взаимодействует с органическими и минеральными кислотами, за исключением HF, смеси HF, HNO3 и царской водки, а также солевыми растворами, не дающими сильной щелочной реакции. Заметная коррозия тантала наблюдается в расплавленных щелочах и концентрированных щелочных растворах. При коррозии тантала в щелочных растворах часто наблюдается охрупчивание металла вследствие абсорбции водорода. Танталу присуща высокая стойкость в среде ряда жидких металлов.
Углерод в тантале практически нерастворим и образует с ним карбиды Та2С и ТаС.
Сплавы. Тантал допускает легирование другими металлами в значительных количествах без заметной потери пластичности. Однако легирование его для повышения жаропрочности возможно в основном вольфрамом и рением. Применяют и другие виды упрочнения, например, карбидное.
Тантал — дорогостоящий и дефицитный металл, и сплавов на его основе мало. В большинстве случаев в радиоэлектронике используется сплав Та—10W, у которого температура плавления 3050° С; плотность 17,8 г/см3; предел прочности при 20° С 74 кгс/мм2; при 1200° С 28 кгс/мм2, при 1200° С за 100 ч 14 кгс/мм2.
Главное достоинство сплавов на танталовой основе — сочетание высокой прочности при повышенных температурах (до 2000° С), высокой пластичности, хороших обрабатываемости и свариваемости.
Сплавы тантала значительно превосходят другие материалы на основе тугоплавких металлов по низкотемпературной пластичности, которая у достаточно чистого металла сохраняется повышенной вплоть до температуры жидкого гелия.
Применение. Нелегированный тантал широко применяют в электролитических конденсаторах, химической аппаратуре, в частности, коррозионноустойчивой аппаратуре для переработки ядерного горючего, в радиоэлектронной промышленности (геттеры, аноды и сетки генераторных ламп, катоды, экраны и другие конструкционные элементы ламп, работающие при температурах до 2200° С, пружины и т. п.).
В медицинской промышленности из тантала изготавливают хирургический инструмент и применяют его в восстановительной хирургии для замены поврежденных ребер, костей черепной коробки, в виде
554
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
нитей для сшивания тканей человеческого тела, так как тантал хорошо с ними совмещается.
Тантал так же, как и ниобий, сверхпроводник, но температура перехода его в сверхпроводящее состояние ниже, чем у ниобия (4,4 К), и сверхпроводящие материалы на его основе почти не разрабатываются.
Молибден
Получение и обработка. В промышленных условиях компактный молибден получают методами порошковой металлургии, электродуго-вой вакуумной плавки, а также электронно-лучевой плавки.
При нагреве на воздухе выше 300° С молибден легко окисляется, поэтому нагрев перед деформацией необходимо проводить в восстановительной атмосфере (водород), вакууме или инертных средах (аргон, гелий).
Пластичность и деформируемость молибдена и его сплавов зависят от способа приготовления, чистоты и степени легирования сплава.
Выплавленные в электродуговых вакуумных печах слитки молибдена имеют крупнозернистую структуру, отличающуюся низкой пластичностью, что затрудняет горячую деформацию, поэтому их деформируют преимущественно прессованием на гидравлических прессах. При прессовании применяют стеклосмазки и используют обжатия до 85%, а в предварительно деформированном состоянии — до 95%. Такие деформации позволяют полностью разрушить грубую дендритную структуру слитков и получить в полуфабрикатах однородную мелкозернистую структуру. Перед прессованием слитки молибдена и его сплавов нагревают до 1300—1600° С в печах электросопротивления в вакууме или атмосфере водорода. В индукционных печах нагрев слитков ведут до 1800° С и выше.
Последующая горячая деформация проводится при более низких температурах (1000—1400° С). Прокатку тонких листов (до 1 мм) ведут с нагревом до 900—1200° С, а последующую прокатку можно проводить при 20° С. Сутунку для листовой прокатки получают прессованием. Термическую обработку сплавов ведут при 900—1200° G в зависимости от их состава. Изготовление труб и волочение проволоки проводят с нагревом до 350—600° С.
При обработке молибдена резанием необходимо применять острые углы резания и твердосплавный инструмент (из сплавов В Кб или ВК8).
Механические свойства. Механические свойства молибдена зависят от его чистоты, технологии изготовления и условий испытания. Типичные значения характеристик механических свойств при разных температурах молибдена, полученного дуговой плавкой и методом порошковой металлургии, приведены в табл. 145.
При низких температурах молибден хрупок. Температурный порог хладноломкости зависит от степени чистоты металла, способа его изготовления, величины зерна, условий испытания. Молибден высокой чистоты после многократной зонной очистки в вакууме (<0,0001% Н; <0,0001% N; <0,0001% О и 0,0012% С) пластичен при —190° С.
В техническом молибдене Тх, п — температура хрупкого перехода определяется примесями внедрения, в основном содержанием кислорода и углерода. Например, выплавленный из особо чистого порошка молибден (0,001—0,004% С) имеет Тх. п =—73° С, а молибден дуговой плавки, приготовленный из обычной шихты, но раскисленный углеродом
145. Характеристики механических свойств молибдена при Нагреве
Метод производства Состояние (Ув, кгс/мм2 б, %
и о см 1000° С 1500° С 1800° С 20° С Э oOOOl Э oOOSI Э о0081
ВДП (Мо + 0,01% С) Литое 37 7,5 2,6 1,5 10 25 32 45
ВДП (Мо 4- 0,01% С) Рекристаллизация (2000° С, 1 ч) 41 11,5 6,7 2,3 13 17 11 12
ВДП (раскисление В, Al, С) Рекристаллизация (2100° С, 1 ч) 31 8,4 2,5 1,2 24 30 12,5 35
То же Деформированный пруток, 0 10 мм 97 40 6,2 3,6 И 8,5 27 26
ВДП Рекристаллизованное — 24,6 — — — 41 — —
То же Деформированное — 31,6 7,7 — — 30 53 —
Порошковая металлургия Деформированный пруток 75 20 — — 30 19,5 — —
Тугоплавкие металлы
556
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
(0,0003% Н; 0,001—0,005% N; 0,002—0,003% О, 0,014—0,05% С), имеет Тх. п = —25ч- 4-40° С. У нераскисленного технического молибдена Тх, п выше комнатной температуры.
Легирование молибдена практически всеми элементами, кроме рения, способствует понижению пластичности. Исключение составляют лишь малые добавки элементов группы IVA, бора и некоторых редкоземельных металлов.
Взаимодействие с различными средами. Компактный молибден относительно стоек на воздухе. Средняя скорость коррозии прокатанного молибдена в атмосферных условиях составляет около 0,0002 мм/год.
Молибден стоек в кислотах НС1, H2SO4, Н3РО4, не взаимодействует с холодными растворами щелочей NaOH и КОН, слабо растворяется в расплавленных щелочах на воздухе и быстро растворяется в присутствии расплавленных солей KNOa, KNO3, К2СО3, КС1О3 и других окислителей.
Молибден относительно стоек в продуктах сгорания порохового топлива (безокислительных или малоокислительных), а также в некоторых расплавленных металлах К, Na, Li, Mg, Bi, однако при загрязнении этих металлов кислородом стойкость его снижается.
Микротравление молибдена для снятия насыщенного газами поверхностного слоя у молибденовых полуфабрикатов или подготовку их поверхности под сварку и пайку производят в растворах из смеси концентрированной азотной и ортофосфорной кислот при соотношении 1 : 1 (плотность реактива 1,37—1,38 г/см9), а также в расплавах щелочей.
Для химического травления микрошлифов молибдена и сплавов на его основе рекомендуется реактив состава: 1 ч по массе 10%-ного NaOH и 1 ч по массе 30%-ного K3Fe(CN)e.
В случае работы в окислительных средах при высоких температурах жаропрочные молибденовые сплавы применяют только с защитными покрытиями.
Сплавы. Состав и свойства основных отечественных сплавов молибдена приведены в табл. 146. Для всех сплавов Тп. х ПРИ ударном нагружении всегда выше комнатной температуры, а при статическом нагружении может быть и выше и ниже комнатной температуры в зависимости от структурного состояния. По порогу хладноломкости для всех сплавов деформированное состояние предпочтительнее, чем рекристаллизованное.
Применение. Около 3/4 всего получаемого молибдена идет на легирование стали, никелевых и других сплавов. Молибден увеличивает прокаливаемость и закаливаемость стали, уменьшает склонность к отпускной хрупкости и повышает жаропрочность никелевых, кобальтовых, хромовых, ниобиевых и других сплавов. Нелегированный молибден применяют в электроламповой и радиотехнической промышленности в виде проволоки и прутков. Из него изготавливают листовые аноды и сетки генераторных и усилительных ламп с рабочей температурой до 1700° G, керны катодов магнетронов, пружины катодов и т. п.
Так как у молибдена почти такой же коэффициент линейного расширения, как и у стекла, его применяют для электрических контактов, впаиваемых в стекло. Окисел молибдена не окрашивает стекло, и сам металл используют для электродов при варке оптического стекла. Из молибдена изготавливают нагревательные элементы печей сопротивления, работающие в вакууме или нейтральной среде (водород,
Тугоплавкие металлы
557
146. Свойства важнейших отечественных молибденовых сплавов
Сплав (состав, % по массе) Температура рекристаллизации, °C Вид полуфабриката и *В’ кгс/мм* °0«2 кгс/мм* кгс/мм2
ЦМ-2А (0,07—0,3 Ti, 0,07—0,16 Zr, 0,004 С) 1300 Лист 20 1200 1300 1400 80 34 8,5-10 6,5 4,0
ВМ-1 (до 0,4 Ti, 0,08—0,25 Zr, 0,01 С, до 0,6 Nb) 1300 Лист Пруток 20 1200 1400 1500 1800 80/82 50/51 19 14/13,7 10 32 16 8,5-10
ВМ-2 (до 0,2 Ti, 0,25—0,40 Zr, 0,02 С, до 0,2 Nb) 1400 Пруток 20 1200 1400 1500 1800 2000 75 45 30 16 9 3 41 27 15,5 5,0
ЦМ-6 (0,1 —0,2 Zr, 0,001—0,003 В) 1200— 1400 Пруток 20 1200 1300 1600 1800 77—85 35 12 9 5 1 1 1 1 1 13 4
ЦМВ-30 (30 W; 0,01 С; добавки Zr, Ti, В, Al) 1400 20 1200 1500 1800 16 6,3 — 25 5
МР-47 ВП • (47 Re) * Сплав пла< 1400 стичен до —2 Пруток 54° С. 20 1500 1600 1800 178 15 10 6 — —
Примечание. Испытания проводились в деформированном состоянии.
558
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
аммиак, инертные газы) до 1700° С. Молибден применяют также для изготовления инструмента в металлообрабатывающей промышленности (штампы для горячей штамповки, прошивные пуансоны, детали для литья под давлением).
Благодаря относительно невысокой плотности на базе молибдена могут быть созданы сплавы для лопаток и роторов газовых турбин ракетных двигателей *, что позволяет повысить рабочую температуру на 200—300° С для тепловых экранов космических аппаратов. Изделия, работающие на воздухе или в окислительной среде, необходимо защищать специальными покрытиями *♦.
Вольфрам
Получение. Компактный вольфрам в виде штабиков получают в основном из порошка прессованием с последующим спеканием в потоке водорода либо (реже) плавлением в дуговых или электроннолучевых вакуумных печах. Спеченный вольфрам выпускают после деформации в виде прутка, листа и ленты.
У литого металла крупнозернистая структура, он хуже, чем спеченный, поддается механической обработке и обработке давлением. Обрабатываемость его можно значительно улучшить введением модификаторов при плавке. Изделия несложной формы изготавливают отливкой. Фасонные изделия получают гарниссажной плавкой с последующей разливкой центробежным способом в графитовые изложницы. Изделия небольших размеров из вольфрама получают напылением плазменной горелкой. Этим же способом наносят слой из вольфрама на другие металлы.
Максимальная чистота вольфрама отечественного производства— 99,95%. Технический вольфрам хрупок при 20° С. Температура перехода его в пластичное состояние зависит от чистоты и обработки металла, а также от условий испытания. Температурный порог хладноломкости деформированного металла (испытание на ударный изгиб) около 300—400° С, а рекристаллизованного — около 500° С. Это объясняется меньшей величиной зерна и соответственно меньшей удельной концентрацией примесей внедрения в деформированном металле, чем в рекристаллизованном (а также в литом). В связи с этим все технологические операции, сопровождающиеся уменьшением зерна (деформация, модифицирование), повышают пластичность вольфрама (и молибдена), а операции, приводящие к росту зерна (отжиг, литье, сварка), охрупчивают его. Существенно понизить порог хладноломкости вольфрама можно очисткой его от примесей. Так, после многократной зонной очистки электронным лучом вольфрам пластичен при 20° С (6 = 124-4-15%).
Обработка ***. Деформируемость вольфрама определяется его чистотой. Пластическую деформацию производят только в горячем состоянии. Нагрев под деформацию во избежание окисления металла следует производить в вакууме или среде нейтральных газов. Обработку давле-
♦ Metal Progress, 1955, 68, № 2, о. 77.
♦ ♦ Борисенко А. И. Защита молибдена от высокотемпературной газовой коррозии. М., Изд-во АН СССР, 1960.
♦ ** Металлы и сплавы для электровакуумных приборов. М., «Энергия;», 1969, с. 598. Авт.; А. С. Гладков, В. М. Амосов, И. В. копецкий, А. М. Левин.
Тугоплавкие металлы
559
нием слитков осуществляют горячим прессованием с последующей ковкой (ротационной), прокаткой, выдавливанием при температуре 1650—2300° С с высокими скоростями и большими обжатиями. Оптимальный температурный интервал нагрева слитков перед деформацией — 1700—1400° С. После разрушения грубой литой структуры пластичность металла повышается, и повторную обработку методом прессования можно проводить при более низких температурах, но не ниже 1200° С. Прессование литого вольфрама необходимо проводить со степенью деформации не ниже 70—75%. Для снятия наклепа в полуфабрикатах в процессе пластической деформации необходимы промежуточные отжиги.
Рекристаллизация деформированного вольфрама протекает в интервале температур 1450—1600° С. При горячем прессовании для уменьшения контактного трения между слитком и инструментом, а также сохранения температуры слитка применяют стеклосмазки.
Нагретый до высоких температур вольфрам быстро охлаждается и теряет пластичность. Это обстоятельство требует, чтобы процесс обработки давлением протекал быстро. Температура конца деформации должна быть значительно выше (600—800° С) порога хрупкости вольфрама. Изделие из вольфрама необходимо устанавливать для обработки и вынимать из инструмента до того, как оно успеет охладиться ниже температуры порога хрупкости. Иначе наступит хрупкое разрушение.
Для механической обработки резанием вольфрам также необходимо подогревать до 400—500° С, так как при комнатной температуре он плохо поддается обработке. Листы из вольфрама обычно режут наждачными кругами или путем анодной резки (плиты).
Сварку и пайку вольфрама следует проводить также в вакууме или среде нейтральных газов. Желательна диффузионная сварка, а не сварка плавлением (например, электронно-лучевая). В последнем случае швы получаются хрупкими, и путем термической обработки повысить их пластичность не удается.
Механические свойства. Характеристики типичных механических свойств технического вольфрама (чистотой 99,95%) в деформированном и рекристаллизованном состоянии представлены в табл. 147.
Прочность вольфрама при высоких температурах выше, чем у других металлов. До температур ~1500—1600° С кратковременная прочность деформированного металла выше, а пластические свойства ниже, чем у рекристаллизованного. При 2000° С предел прочности составляет 8, при 2200° С — 6, а при 2500° С — 3 кгс/мм2. Длительная прочность рекристаллизованного металлокерамического вольфрама за 100 ч при 1500° С — 5 кгс/мм2, а при 1650° С — 2,8 кгс/мм2.
Взаимодействие с различными средами. Вольфрам отличается высокой коррозионной стойкостью в кислотах, щелочах и некоторых расплавленных металлах. Быстрое растворение вольфрама наблюдается в смеси HF и HNO3 и щелочных растворах, содержащих окислители. Растворение в смеси HF и HNO3 идет неравномерно, поэтому для полировки и травления эта смесь мало пригодна. Для этой цели чаще всего применяют смеси NaOH и K3Fe(CN)e или NaOH и Н2О2. При 20° С вольфрам имеет высокую химическую стойкость в воде и на воздухе.
С водородом вольфрам не взаимодействует даже при очень высоких температурах. Взаимодействие с азотом наблюдается также при температурах выше 2000° С.
560
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
147. Характеристики механических свойств вольфрама при 20 и 400* С *
Характеристики Вид обработки 20° С 400° С
НВ, кгс/мм2 ав, кгс/мм2 б», % яр. % Е, кгс/мм2 * Образцы 0 б Деформированный Рекристаллизованный Деформированный Рекристаллизованный Деформированный Рекристаллизованный Дефюрмированный Рекристаллизованный и рабочей длиной 25 мм. 415 320 90 50 0 0 0 0 40 000 72—78 30 12 — 15 0—5 40—60 0—5
Сплавы. Легирование вольфрама, за исключением, легирования рением, приводит к резкому падению пластичности. Поэтому для сплавов вольфрама применяют другие методы упрочнения, например, упрочнение дисперсными частицами окислов, карбидов и т. п.
В табл. 148 приведены значения предела прочности при высоких температурах основных сплавов вольфрама.
148. Предел прочности (кгс/мм2) вольфрамовых сплавов, получаемых методом порошковой металлургии, при различных температурах
Содержание добавок, % по массе Полуфабрикат О ё со 1900° С э ооогг 2400° С
W нелегированный Пруток . . 10 6 3,4
50 Мо Проволока 14 4,5 3,5 1.3
1 ThO2 Лист 26 19 9 м
2 ThO2 » 20 18 12 7.0
5 Re + 2 ThOj » 25 *—•
0,4 TaC Пруток 21 — —
С повышением температуры прочность сплавов вольфрама понижается, оставаясь на достаточно высоком уровне только у сплавов, упрочненных карбидами и окислами. Основные недостатки высоколегированных вольфрамовых сплавов — низкая технологичность и плохая свариваемость из-за повышенной склонности к образованию трещин при сварке и хрупкости сварных соединений.
Наибольшее применение в СССР и за рубежом нашли сплавы с рением, легирование которым в количестве 25—35% снижает температуру перехода вольфрама в хрупкое состояние, повышает пластичность при 20ъ С и улучшает технологические свойства. Промышленный отечественный сплав ВР-27ВП (W + 27 ± 3% Re) отличается повышенной по сравнению с нелегированным вольфрамом технологической пластич
Обработка металлов для защиты от окисления
561
ностью, которая сохраняется вплоть до —100° С. Сплав хорошо сваривается дуговой сваркой в инертном газе и электронно-лучевой в вакууме. Шов получается пластичный. Предел прочности сплава при 1500° С — 30—35 кгс/мм2, при 1800° С — 15 кгс/мм2.
Сплавы вольфрама приготавливают методом порошковой металлургии и плавлением в электродуговых вакуумных печах.
При нагревании на воздухе выше 400° С все вольфрамовые сплавы сильно окисляются. Поэтому эксплуатацию и технологические операции (горячая деформация, сварка, пайка, термообработка и т. п.) следует производить в вакууме, водороде или инертной среде. В случае работы издедий в окислительной среде на их поверхность необходимо наносить специальные защитные покрытия.
Применение. В настоящее время промышленное применение находит преимущественно нелегированный вольфрам. Его широко применяют в электроламповой, радиотехнической и электровакуумной промышленности.
Вольфрам широко используют в металлургической промышленности при производстве твердых сплавов и легированных сталей, в химической промышленности и авиации в качестве материала для изделий, работающих до 2500—2700° С.
Литой металл применяют для изготовления вкладышей критического сечения сопл ракет, работающих на твердом топливе.
В ядерной энергетике из вольфрама делают тигли для хранения радиоактивных материалов и другие изделия.
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
МЕТАЛЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ОКИСЛЕНИЯ
Развитие многих отраслей современной техники в значительной степени зависит от решения проблемы защиты от окисления рабочих поверхностей ответственных деталей машин.
Проблема защиты от окисления приобрела особую остроту в связи с применением высокожаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов — молибдена, вольфрама, ниобия, тантала для энергетической, авиационной, ракетной и космической техники.
Обладая необходимыми механическими свойствами при высоких температурах (более 1000° С) в вакууме, эти металлы катастрофически разрушаются в окислительной среде при нагреве выше 700° С.
Объемным легированием не удалось придать достаточную жаростойкость тугоплавким сплавам. Наиболее реальный путь решения проблемы защиты их от окисления — это разработка составов и способов получения защитных покрытий, т. е. поверхностное легирование несколькими элементами.
Иными словами химико-термическая обработка деталей машин из тугоплавких сплавов — необходимая технологическая операция, значительно повышающая их жаростойкость.
Защитные свойства покрытий обычно связывают с образованием на их поверхности плотных слоев из окислов алюминия, хрома и кремния, а жаростойкость покрытий оценивают по интенсивности изменения массы образцов.
Этот метод оценки жаростойкости применим при испытании защитных покрытий на сплавах из тугоплавких металлов, которые весьма интенсивно окисляются при нарушении сплошности покрытий. Однако
562
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
для оценки жаростойкости сплавов на железной и никелевой основах требуются дополнительные металлографические, рентгенографические или микрорентгеноспектральные исследования, так как в процессе испытания на жаростойкость при высоких температурах наряду с образованием окалины происходит диффузионное рассасывание слоя защитного покрытия.
Повысить жаростойкость молибденового сплава ЦМ-2А можно дополнительным легированием силицидных покрытий бором.
В процессе окисления боридный подслой МоВ перестраивается в барьерный подслой Mo6SiB2, препятствующий диффузионному рассасыванию дисилицида молибдена. Кроме того, бор способствует само-залечиванию поверхности дисилицидного слоя. Максимальный срок службы указанного покрытия в воздушной среде достигал при 1300° С 3000 ч и при 1500° С 1000 ч.
К промышленным методам поверхностного легирования следует отнести насыщение из порошковых смесей, из расплавов металлов или солей, из паровой фазы, из газовых смесей прямоточным и циркуляционным методом.
В ряде случаев жидкая фаза — источник диффундирующего элемента — активизируется электролизом, а газовая фаза — ионизацией в тлеющем разряде. Наиболее широкое применение в промышленности нашло диффузионное насыщение из порошковых смесей, содержащих кроме диффундирующего элемента хлористый или иодистый аммоний, который диссоциируя при нагреве, образует в муфеле хлориды или иодиды диффундирующего элемента. Образовавшиеся таким образом активные компоненты газовой смеси (кроме того, в муфеле образуются азот и водород) адсорбируются на насыщаемой поверхности, где в зависимости от температурных условий и химических свойств могут протекать реакции замещения, диспропорционирования или восстановления.
Насыщение из порошковых смесей производят обычно при температурах 950—1100° С в стальных контейнерах, герметизацию которых осуществляют способами, указанными на рис. 34. Применение плавких затворов из натросиликатного стекла, плавящегося при 750—800° С, не препятствующего вытеснению воздуха в период нагрева контейнера с деталями и надежно изолирующего рабочее пространство от окружающей атмосферы во время основной стадии хромирования, позволило стабилизировать результаты хромирования и уменьшило окисление поверхности деталей в контейнерах. Примеры некоторых процессов химико-термической обработки в порошковых смесях приведены в табл. 149.
Применение алюминотермического способа силицирования, основанного на реакции 4А1 + 3SiO2 = 3Si + 2А12О3, протекающей в порошковой смеси кварцевого песка с алюминием, позволило получить на сталях беспористые диффузионные- слои кремнистого феррита при сравнительно небольших изотермических выдержках. Для получения беспористых слоев при силицировании стали была также предложена порошковая смесь, состоящая из 19,5—20,3% кристаллического кремния, 61,0—61,7% закиси или окиси железа, 3,8—4,2% хлористого аммония и 13,8—15,7% окиси алюминия.
Исследования показали, что из порошковых смесей можно производить также одновременное диффузионное насыщение несколькими элементами.
Обработка металлов для защиты от окисления
563
Так, например, после алюмоборирования никелевых сплавов в порошковой смеси, состоящей из 30—50% алюминия и бора, 45—65% окиси алюминия и 5% хлористого аммония, можно получить многокомпонентное покрытие более жаростойкое, чем алюминидное. При этом оптимальное соотношение А1 : 3 : 1.
Алитирование металлов в ваннах с расплавленным алюминием давно привлекает внимание технологов, но такие недостатки, как малая стойкость стальных тиглей по отношению к расплаву, растворение
Рис. 34. Схемы герметизации контейнеров для диффузионного насыщения из порошковых сред:
а — с комбинированным уплотнением; б — с верхним плавким затвором; в — с нижним плавким затвором;
1 — стальной контейнер; 2 — насыщаемые детали; 3 — порошковая смесь;
4 — газовый уплотнитель; 5 — нитросиликатное стекло; 6 — стальная крышка;
7 — асбестовая прокладка; 8 — отработанный порошок или его смесь с углем;
9 — железная прокладка; 10 — шпилька; 11 —обмазка (глина)
металла деталей в алюминии, налипание его на поверхность и другие препятствуют промышленному применению этого метода.
Во избежание интенсивного растворения стальных деталей в алюминиевую ванну вводят 8—12% железа или 20—22% никеля. Кроме того, вместо стальных тиглей применяют магнезитовые или шамотные, а на поверхность расплава наносят слой флюса для защиты расплава от окисления, очистки поверхности детали от загрязнения и тонких окисных пленок, прогрева деталей в слое флюса и сокращения времени контакта с расплавом, применения электродного нагрева ванны, а также очистки поверхности от налипшего расплава путем встряхивания или вращения детали. Составы применяющихся флюсов приведены в табл. 150.
Рекомендуемая температура расплава для алитирования сталей обычно от 650 до 800° С.
Для формирования жаростойкого слоя после алитирования в ваннах детали подвергают диффузионному отжигу при 900—1100° С.
Применение простого способа подготовки поверхности металлов — окисления на воздухе при оптимальных температурах упрощает техно-
149. Некоторые процессы химико-термической обработки в порошковых смеся х
Вид диффузионного насыщения Состав порошковой смеси, % Насыщаемый металл или сплав Режи1 насыщен Температура выдержки, ° С и диффузио 1ИЯ И ТОЛЩ! Время выдержки, ч иного 1на слоя Толщина диффузионного слоя, мм Литературный источник
49 ферроалюминия (содержит 43 железа), 49 каолиновой глины, 2 хлористого аммония Сталь 10 (0,13% С) 900 900 975 975 1050 1050 3 6 3 6 3 6 0,09 0,10 0,12 0,17 0,33 0,38 По данным В. И. Просвирина и И. Ф. Зудина
Алитирование (алюминирование) 99,5 ферроалюминия (содержит 43 железа), 0,5 хлористого аммония Сталь 10 (0,13% С) 900 900 975 975 1050 1050 3 6 3 6 3 6 0,10 0,12 0,15 0,21 0,44 0,48
99 ферроалюминия ФАП (АМТУ 325-52), 1 хлористого аммония 1-го сорта (ГОСТ 2210 — 73) ЖС6К 950 950 1000 1000 1050 1050 3 6 3 6 3 6 0,042 0,057 0,060 0,088 0,087 0,126 —
Хромирование 50 феррохрома, 43 окиси У8 1100 1000 6 6 0,04 0,02 По данным Г. Н. Дубинина
алюминия, 7 хлористого аммония Сталь 40 1100 1000 6 6 0,02 0,01
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Продолжение табл. 149
Вид диффузионного насыщения Состав порошковой смеси, % Насыщаемый металл или сплав Режим диффузионного насыщения и толщина слоя Литературный источник
Температура выдержки, ° С Время выдержки, ч Толщина диффузионного слоя, мм
Хромирование 65 хрома, 30 окиси алюминия, 5 хлористого аммония Сталь 10 Сталь 45 У10 1150 1150 1150 5 5 5 0,05 0,018 0,018 По данным Г Н. Дубинина
60—70 хрома, 29—39 окиси алюминия, 1 йодистого аммония 10Х18Н9Т 1100 10 0.1-0,12 По данным Ю. Н. Грибоедова, Б. И. Юнца
75 ферросилиция, 20 шамота, 5 хлористого аммония Сталь 10 1100 1200 2 10 0,05 0,88— 0,90
Силицирование Алюминотермическая смесь: 98 (2,5 алюминия, 97,5 огнеупорной глины), 2 фтористого натрия Железо Сталь 45 У8 1100 1100 1100 4 4 4 0,175 без пор 0,105 без пор 0,108 без пор По данным Л. С. Ляховича и ДР-
19,5—20,3 кристаллического кремния, 61,0—61,7 закиси или окиси железа, 3,8—4,2 хлористого аммония, остальное окись алюминия Сталь 35 1120 2 0,20 без пор По Ю. Н. данным Тельнюка
60 кремния, 37 шамота, 3 хлористого аммония Молибден 1100 1100 6 10 0,12 (MoSi2) 0,16 (MoSij) По А. П. др. данным Гуляева и
Обработка металлов для защиты от окисления
666
Цветные и тугоплавкие металл и сплавы
150. Химический состав (%) флюсов
NaCl КС1 Na8AlF. A1F, ZnCl,
40 40 10 10 ,
35 47 12 6
35 35 10 «_ 20
44 56 — —
логию алитирования в расплаве. Алитирование тугоплавких металлов можно производить при сравнительно низкой температуре (до 900° С) и малой выдержке (до 20 мин) без применения специальной защитной атмосферы.
Экспериментально установлено, что легирование расплава алюминия кремнием, молибденом, хромом и ниобием, а следовательно, и покрытия, повышает жаростойкость. Г. В. Земсков и П. Ф. Шуленок предложили двухпозиционную установку для алитирования металлов. Детали, загруженные в контейнер с сетчатым дном, помещают в тигель с расплавом. После изотермической выдержки контейнер с деталями передается на вторую позицию *гой же рабочей камеры печи, где избыточный расплав стекает на противень. Этот способ позволил получить ровные и сплошные покрытия. Несмотря на большое количество работ по диффузионному насыщению в расплавах солей, особенно по хромированию, этот метод ограниченно применяется в промышленности из-за его недостатков: накопления в ванне продуктов реакции и связанной с этим нестабильности работы, интенсивного испарения солей и разъедания металлических тиглей, сложности обработки крупных деталей и т. д.
Вакуумный метод диффузионного насыщения металлов основан на передаче диффундирующих элементов на насыщаемую поверхность через паровую фазу. Насыщение производится в вакуумных печах при высоких температурах (1150—14506 С) и давлении 10-3—10”5 мм рт. ст. При этом исключается химическое взаимодействие исходной среды с насыщаемой поверхностью, что уменьшает производительность процесса, которая может характеризоваться коэффициентом роста слоя (табл. 151).
151. Производительность методов силицирования молибдена при 1200° С
Характеристика метода Коэффициент роста диффузионного слоя, см2/с
Насыщение из паровой фазы кремния, температура которого 1200° С; вакуум КУ’* мм рт. ст. Насыщение из газовой среды прямоточным методом; исходная среда НС1 + Si Насыщение из газовой среды циркуляционным методом; исходная среда НС1 4- Si 0,175-10-е 0,61.10—« 1,39-10-в
Обработка металлов для защиты от окисления
567
В результате вакуумного алитирования стали не удается получить достаточной, концентрации алюминия на насыщаемой поверхности. После двухчасовой изотермической выдержки при 1500° С в смеси (50% алюминия + 50% окиси алюминия) концентрация алюминия на поверхности стали достигла только 3%, чего явно недостаточно для придания повышенной жаростойкости.
Вакуумный метод диффузионного хромирования сталей, позволяющий получать слой большой толщины, обладающей пластичностью, разработан институтом УКРНИИСПЕЦСТАЛЬ. По этому методу на заготовках из низкоуглеродистой стали в вакуумных печах (например, ОКБ-554А) при 1400° С за 18 ч изотермической выдержки получали хромированный слой около 3 мм. Заготовки подвергали горячей и холодной прокатке. Производственные испытания показали высокую коррозионную стойкость листов хромированных низкоуглеродистых сталей, которые не уступают высоколегированным хромоникелевым сталям.
Большой практический интерес представляет диффузионное насыщение металлов и сплавов из химически активных газовых сред. В мировой практике широко применяют газовую цементацию и азотирование прямоточным методом, когда рабочая камера печных установок заполняется медленно протекающей газовой средой.
Многочисленные попытки осуществить диффузионную газовую металлизацию прямоточным методом в производственных условиях не дали положительных результатов. Один из существенных недостатков прямоточного метода — неравномерность диффузионных слоев в разных точках поверхности детали.
Недостатки прямоточного метода устраняются в разработанном в МВТУ им. Баумана и получившем промышленное применение циркуляционном методе диффузионного насыщения металлов и сплавов.
По сравнению с широко применяемым методом диффузионного насыщения из порошковых смесей циркуляционный метод имеет ряд преимуществ: более высокую химическую чистоту покрытия, безопасность, безвредность, большую производительность и экономичность технологического процесса. Для осуществления циркуляционного процесса требуется специальное оборудование, подобное применяемому для газовой цементации. В основе циркуляционного метода лежит явление переноса диффундирующего элемента в замкнутом рабочем пространстве установки при систематическом восстановлении газа-переносчика в результате обратимых химических реакций. На протекание указанных реакций активно влияют насыщаемая поверхность и температурный перепад между диффундирующим элементом и насыщаемым металлом. В рабочей камере установки предусматривается раздельное расположение насыщаемых деталей и диффундирующего элемента, а реверсируемое движение газовой среды осуществляется вентилятором.
Циркуляционный метод позволяет производить одновременное насыщение поверхности детали несколькими элементами.
Принципиальная схема циркуляционной установки шахтного типа показана на рис. 35. В муфель 1 загружают садку деталей D и диффундирующий элемент Э, закрывают герметичной крышкой 2 и перекрывают вентиль патрубка 6, а через патрубок 5 удаляют воздух из муфеля с помощью форвакуумного насоса. Затем нагревается садка до опреде-
568
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
ленной температуры и через вентиль патрубка 6 заполняется рабочая камера исходной газовой средой (парами галоидов или галогенидов).
Процесс диффузионного насыщения может осуществляться при 7\ = Т2 = Т3 в результате нарушения термодинамического равновесия в рабочей камере. Однако в конкретных вариантах диффузионного
насыщения устанавливаются оптимальные температуры в тепловых зонах, которые способствуют протеканию соответствующей обратимой реакции.
В рабочей камере (в муфеле) циркуляционной установки могут протекать обратимые реакции сле-
Рис. 35. Принципиальная схема циркуляционной установки:
/ — муфель; 2 — крышка; 3 — направляющий цилиндр; 4 — реверсивный вентилятор; 5, 6—патрубки
дующих типов: диспропорционирования или
О г> г Ц О I
дисмута ци и - ЭГп^± —— Э + п Ш’П
-|- m т ''
1 т ^^т^пЭГт^Э+ ~^Гп;
восстановления ЭГп + х
X И2 ^2 пНГ + Э, где Г — галоиды F, Cl, Вг, J;
Э — диффундирующий элемент;
т, п — целые числа.
Принципиальные варианты циркуляционного метода диффузионного насыщения в зависимости от диффундирующего элемента и ведущей обратимой реакции даны в табл. 152, а в табл. 153 приведены
примеры некоторых режимов насыщения этим методом.
Из графиков (рис. 36), поясняющих термодинамическое обоснование вариантов циркуляционного метода, видно, как изменением температуры относительно равновесной То в рабочей камере установки можно влиять на ход и направление ведущей обратимой реакции. Однако более подробные представления дают расчеты состава газовой
среды.
Результаты расчета равновесного состава хлоридов кремния в зависимости от температуры смеси и суммарного давления показаны на рис. 37, где видно, что с повышением температуры в реальных для силицирования пределах в смеси возрастает количество субхлорида SiCl2, который при понижении температуры распадается с выделением кремния. Следовательно, в случае силицирования металлов, указанных в табл. 152, целесообразно в зоне расположения кремния иметь более высокую температуру, чем в зоне расположения деталей, силицируемых циркуляционным методом.
Из графика на рис. 37 также видно, что уменьшение суммарного давления в рабочей камере приводит к уменьшению равновесной температуры обратимой реакции 2SiCla Si -f-SiCl4 и увеличению
Обработка металлов для защиты от окисления
569
Рис. 36. Зависимость изменения свободной энергии от темпе» ратуры для ведущих реакций (см. табл. 152)
Рис. 37. Равновесные составы хлоридов кремния в зависимости от температуры и давления (расчетные данные):
-------2р «= 1 кгс/см2;------- 0,315 кгс/см2; —Sp = в 0,05 кгс/см2
570
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
152. Варианты циркуляционного метода диффузионного насыщения металлов
Вариант Диффундирующий элемент Ведущая обратимая реакция Расчетная равновесная температура To, К Насыщаемые металлы
1а Алюминий ЗА1С1 2А1 + А1С1з 1638 Fe, Ni, Си, Si, Мо, W, Nb
ЗА1С12 <=£ Al + 2А1С1, 1193
3A1J 2А1 + A1J, 1115 Fe •, Ni, Mo, W
Кремний 4SiCl3 <=> Si + 3SiCl4 1800 Ni, Mo, W, Nb, Ta
2SiClj <=>: Si 4- SiCl4 1608
2SiJ2 Si + SiJ4 1758 Ni, Mo, W
2SiF <=± Si + SiF4 725 Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, W
Бор BC12 В + 2BC13 1973 Ni, Mo, W
3BFt В + 2BF3 1430 Fe, Ni, Cr, Mo, W
Бериллий 2BeCl <=+: Be + BeCla 1880 Fe, Ni, Си, Mo, W
Углерод 2CO <=> c + COa 970 Fe, Ni, Co
16 Титан 2TiJ2 ч~т> Ti4-TiJ4 1250 Fe •» Ni, Mo, W
4TiCla <=±r Ti + 3TiCl4 1210 Fe, Ni, Mo, W, Nb
2TiF2 Ti + TiF4 1010 Fe, Ni, Cr, Mo, W
Обработка металлов для защиты от окисления
571
Продолжение табл. 152
Вариант Диффундирующий элемент Ведущая обратимая реакция Расчетная равновесная температура To, К Насыщаемые металлы
И Хром CrJ2 4—Сг J2 1551 Fe *, Ni, Мо, W
Ниобий 2NbJ, ч=> 2Nb + 5Ja 1234 Ni, Mo, W
III Хром 2CrFs+3H2 2Сг + 6HF 1370 Fe, Ni, Mo, W
Ванадий VF,+ Н2 +=± V + 2HF 1340 Fe, Ni, Mo, W
Ниобий 2NbClB + 5H2 2Nb + 4- 10HC1 1000 Ni, Mo, W
Никель NiCla + H2 <=> Ni + 2HC1 723 Mo, W
Германий GeCl4 + H2 Ge + 4HC1 800 Ge, Ni, Mo, W
IV Кремний SiCl4 + H2 => SiCl2 + + 2HC1 1635 Ni, Mo, W, Nb, Ta
2SiCl4 + H2 <-> 2SiCls + 4- 2HC1 1455
4SiCl3 Si 4- 3SiCl4 1800
2SiCl2 Si 4- SiCl4 1608
Бор 2BC1S 4- H2 2BC12 4- + 2HC1 1793 Ni, Mo, W
3BC12 <=> В 4- 2BC1, 1973
* При насыщении железа йод вводится в рабочую камеру при температуре железа выше 900° С.
1БЗ. Характеристики процессов диффузионного насыщения циркуляционным методом
Вид диффузионного насыщения Характеристика исходной среды, скорость газового потока и суммарное рабочее давление Насыщаемый металл или сплав Режим насыщения и характеристика диффузионного слоя
Температура насыщаемого металла, °C Время изотермической выдержки, ч Температура в зоне диффундирующего элемента, °C Привес,^ мг/см2 Толщина слоя,? мкм Фазовый состав слоя
Алитирование (алюминирова-ние) по варианту 1а Безводный хлористый алюминий1, алюминий2. Давление 1 — 1,05 кгс/см2. Средняя скорость газового потока 103 м/мин. Критерий Рейнольдса потока рабочей газовой смеси — 4340 Никель Н1 (ГОСТ 849 — 70) 950 950 3 6 950 950 5,90 8,20 28 40 NiAl Ni8Al (твердый раствор)
1000 1000 3 6 1000 1000 9,40 13,60 45 62 Ni3Ala NiAl Ni3Al (твердый раствор)
1050 1050 3 6 1050 1050 7,10 9,60 34 49 NiAl Ni3Al (твердый раствор)
ЖС6К 950 6 950 7,10 45 Твердый раствор на основе NiAl (31 — 36% Al) Твердый раствор на основе Ni3Al (13-14% Al) Твердый раствор
1000 6 1000 12,08 70
1050 6 1050 9,40 58
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Продолжение табл. 153
Вид диффузионною насыщения Характеристика исходной среды, скорость газового потока и суммарное рабочее давление Насыщаемый металл или сплав Режим насыщения и характеристика диффузионного слоя
Температура насыщаемого металла, °C Время изотермической выдержки, ч Температура в зоне диффундирующего элемента, °C Привео, мг/см1 Толщина слоя, мкм Фазовый состав слоя
Железо Армко (0,04% С) 1050 1050 1100 1100 1150 1150 3 6 3 6 3 6 850 850 850 850 850 850 84 115 105 150 210 300 Твердый раствор с максимальной концентрацией хрома 72% (по массе) на поверхности
Хромирование по варианту II Йод’, хром4. Давление 0,3 кгс/см2. Средняя скорость газового потока 27 м/мнн Молибден МЧ (0,01% С) 1050 1100 1150 6 6 6 850 850 850 8,60 12,00 20,00 45 Твердый раствор с максимальной концентрацией хрома 70% (по массе) на поверхности с зоной упорядоченного твердого раствора
10Х18Н9Т (ГОСТ 6632—72) 1100 1100 1150 1150 3 6 3 6 850 850 850 850 80 128 160 280 a-твердый раствор а + о-фаза a+o+V-твердый раствор о-|-7 Максимальная концентрация’ хрома 70% (по массе) на поверхности
Обработка металлов для защиты от окисления
Продолжение табл. 153
Режим насыщения и характеристика диффузионного слоя
Вид диффузионного насыщения Характеристика исходной среды, скорость газового потока и суммарное рабочее давление Насыщаемый металл или сплав Температура насыщаемого металла, °C Время изотермической выдержки, ч Температура в зоне диффундирующего элемента, °C Привес, мг/см2 Толщина слоя, мкм Фазовый состав слоя
Силицирование по варианту 1а Тетрахлорид кремния8 (0,2 кгс/см2), аргон®, кремний7. Давление 1 —1,03 кгс/см®. Средняя скорость газового потока 15 м/мин Молибден МЧ 1125 1125 1125 3 5 7 1200 1200 1200 13,15 15,89 18,42 53 66 76 В основном MoSi2
Силицирование по варианту IV Тетрахлорид кремния5 (0,2 кгс/сма), водород8 (0,2 кгс/см2), аргон ®, кремний Давление 1 — 1,03 кгс/см2. Средняя скорость газового потока 15 м/мин Молибден МЧ 1125 1125 3 5 1200 1200 14,40 17,30 60 72 В основном MoSi2
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
Продолжение табл. 153
Вид диффузионного насыщения Характеристика исходной среды, скорость газового потока и суммарное рабочее давление Насыщаемый металл или сплав Режим насыщения и характеристика диффузионного слоя
Температура насыщаемого металла, °C Время изотермической выдержки, ч Температура в зоне диффундирующего элемента, °C Привес, мг/см2 Толщина слоя,? мкм Фазовый состав слоя
Алюмоборирование Безводный хлористый алюминий *, алюми- ний 2, аморфный бор; отношение кажущихся поверхностей бора и алюминия 1 : 5. Давление 1 — 1,05 кгс/см2. Средняя скорость газового потока 72 м/мин. Критерий Рейнольдса потока рабочей газовой смеси 3050 Никель Н1 950 950 3 5 1000 1000 11,08 13,20 105 130 В основном фаза Ni2Als, легированная бором
1 Безводный хлористый алюминий. 2 Алюминий А97 (ГОСТ 11070—74). 3 Йод кристаллический ЧДА (ГОСТ 4159 — 64 *). 4 Хром ХО (ГОСТ 5905 — 679. 8 Тетрахлорид кремния особой чистоты (общее количество примесей менее 10” • Аргон технически чистый марки А. я Кремний кристаллический КрО (ГОСТ 2169 — 69). 8 Водород технически чистый (99,7% Н2). •%).
Обработка металлов для защиты от окисления
сл сл
576
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
количества SiCl2 при тех же температурных условиях. Однако для соблюдения стабильности и большей безопасности процесса рекомендуется вести его при давлениях, близких к атмосферному. В этих условиях легче осуществлять герметизацию рабочей камеры.
На рост диффузионных слоев при прочих равных условиях существенно влияет скорость газового потока около насыщаемой поверхности.
Максимальная толщина диффузионного слоя образуется при скорости газового потока, соответствующей переходу ламинарного потока в турбулентный. Это подтверждается результатами, приведенными в табл. 154.
164. Влияние вида газового потока на эффективность алитирования*
Критерий Рейнольдса для смеси хлоридов алюминия Расход алюминия* г мг/см1
NI ЖС6К
1660 2090 3050 4340 6300 * Алитирован при 950® С в течен 14,7 24,2 48,7 40,7 28,3 ие производилось ие 6 ч. 6,12 7,72 10,70 8,20 6,77 в циркуляцион 4,48 5,02 8,62 7,01 5,53 ной установке
Примечание. Дт — отношение приращения масса образца к площади его поверхности.
В последнее время для большей активизации реакционных процессов в газовой среде и адсорбции на насыщаемой поверхности начинают применять ионизационные процессы диффузионного насыщения. Наиболее разработан и нашел промышленное применение процесс ионизационного азотирования, или азотирование в тлеющем разряде, который осуществляется в контейнере, заполненном азотом или аммиаком, при давлении около 5—10 мм рт. ст.
Обработка металлов для защиты от окисления
577
Азотируемая деталь, являющаяся катодом, непрерывно бомбардируется ионами азота и разогревается до температуры азотирования (500—550° С). Рабочее напряжение между анодом, которым может служить контейнер, и катодом поддерживается в пределах 600—800 В. В результате достигается более высокое качество азотированного слоя; процесс азотирования идет интенсивно без применения печей и водорода. Применение тлеющего разряда позволяет устранить неравномерность диффузионных слоев, обычно получаемых на деталях сложных конфигураций при сохранении ламинарных газовых потоков в рабочей камере. Обеспечивается равномерный нагрев поверхности и одинаковый приток диффундирующего элемента.
Рис. 38. Схема установки для силицирования молибдена ^тлеющем разряде:
1 — реакционная камера; 2 — блок электропитания; 3 — блок вспомогательных агрегатов (вакуумный насос, испаритель тетрахлорида кремния, вакуумметры и др.); 4 — силицируемая деталь—катод; 5 — анод; 6 — корзина с кремнием; 7 — вентилятор
В установке, схема которой показана на рис. 38, осуществлено силицирование молибдена в тлеюгЦем разряде циркуляционным методом. Благодаря применению тлеющего разряда и образованию слоя Mo6Si3 между молибденовой основой и слоем MoSi2 получено покрытие более высокого качества, чем в циркуляционной установке с печным нагревом образцов (табл. 155).
В табл. 155 приведены некоторые защитные покрытия на металлах и сплавах и методы их получения.
19
155. Жаростойкость металлов и сплавов с защитными покрытиями и методы их получения
Насыщаемый металл или сплав Характеристика защитного покрытия Жаростойкость в воздушной среде Метод и режим насыщения Литературный источник и примечание
Состав диффузионного слоя Толщина слоя, мм Температура испытаний,? °C Время до разрушения; ч
Молибден MoSit Mo.Sis 110—120 3 1700 50 Силицирование из порошковой смеси: 60% кремния 4“ 4- 37% шамота 4-3% хлористого аммония. 1100® С, выдержка 8 ч По данным А. П. Гуляева
Молибден MoSis MoBSI, 340 1600 250 Силицирование из расплава: медь 4- 16,5% кремния (по массе). 1300® С, выдержка 2 ч Из монографии Г. В. Самсонова и А. П. Эпика
Молибден с 0,5% титана 93 мг осажденного кремния и 8 мг осажденного бора — 1200 2942 Боросилицирование прямоточным методом. 1. Борирование при 1100® С 1 ч. Исходная среда: трехфтористый бор (2 л/мин) и аргон 2. Силицирование при 1100° С 6 ч. Исходная среда: тетрахлорид кремния (2— 4 л/мин) и аргон
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
к- — Молибден, МЧ MoSi8 MobSi3 100—120 4 — 8 .1300 1500 220 75 Силицирование циркуляционным методом при печном нагреве молибдена до 1125° С, кремния до 1200° С, выдержка 8—9 ч. Исходная среда; тетрахлорид кремния (0,2 кгс/см2), водород (0,2 кгс/см2), аргон, кремний. Суммарное давление 1 — 1,03 кгс/см2. Скорость потока 15 м/мин \
Молибден, МЧ MoSi2 MOj Si3 100—120 40 — 45 1300 1500 450 150 Г Силицирование циркуляционным методом при нагреве в тлеющем разряде молибдена до 1300° С, кремния до 1100° С, выдержка 2 — 2,5 ч. Исходная среда: тетрахлорид кремния, кремний. Рабочее давление 15—20 мм рт. ст. —
ВМ1 Алюминид молибдена, модифицированного кремнием и хромом 200—300 1350 1500 250 30 Насыщение из расплава: алюминий, кремний, молибден, хром; 830 — 850® С, выдержка 8 мин Из монографии Г. В. Самсонова и А. П. Эпика
Обработка металлов для защиты от окисления
ел
со
Продолжение табл. 155
Насыщаемый металл или сплав Характеристика защитного покрытия Жаростойкость в воздушной среде Метод и режим насыщения Литературный источник и примечание
Состав диффузионного слоя Толщина слоя, мм Температура испытаний, • °C Время до разрушения, ч
Вольфрам WSi8 W*Si3 — 40 1815 10 Силицирование из порошковой смеси: кремний, 10% фтористого натрия, 5% хлористого аммония, 1065° С, 8 ч Иэ монографии Г. В. Самсонова и А. П. Эпика
Ниобий и его сплавы NbSi8, легированный титаном (-4% Ti) 38—76 982 5000 Насыщение из порошковой смеси: 67—75% кремния и титана в соотношении 1:1, 20— 25% окиси алюминия, 5—9% трех фтор истого алюминия, в токе аргона (—10 ем8/мин), 930—1040* С, выдержка 16 и. Окислительный отжиг: 980° С, 25 ч
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
С103 (Nb + + 10% Hf+1% Ti), Д31 (Nb + + 10% Mo+10%Ti) Наружный слой гетерофазный, внутренний NbSi2 50 От 1425° С ДО 20° С 9; 10,9 11,4; 11,5 Насыщение из порошковых смесей в две стадии. I. Силицирование: 60% кремния, 6—10% галоидного активатора, остальное окись алюминия, 1150° С, 16 я Па) хромоалитирование: 35% хрома, 20% алюминия, 4% галоидного активатора, остальное окись алюминия, 1260°С, 16 я. Пб) хромоборирование: 30% хрома, 30% ферробора, 4% галоидного активатора, остальное окись алюминия, 1200° С, 16 я Из монографии Г. В. Самсонова и А. П. Эпика. При испытаниях на жаростойкость образцы через каждый час охлаждали с 1425 до 20° С и снова нагревали
Д43 (Nb + + 10% W+1% Zr), Д36 (Nb+ + 10% Ti + 5% Zr), B66 (Nb+ + 5% Mo+5% V + + 1% Zr) Хромо-титано-кремниевое покрытие марки TRW 75-100 980 1120 150 150 Последовательное насыщение в порошках с добавкой фтористого калия. 1. .Титанирование в вакууме 10”2 мм рт. ст. в засыпке из титановой губки при 1040° С, 6 я 2. Хромотитанирование в смеси порошков хрома и титана (1 : 1) при 1260° С, 8 я, давление 1,5 мм рт. ст. 3. Силицирование в порошке кремния при 1120° С, 4 я, давление от 1,5 до 10“2 мм рт. ст.
Ta+30% Nb + + 7,5% V 50 ат % кремния и 50% ат бора 100 1480 Более 115 Последовательное насыщение в порошках с добавкой фтористого натрия. 1. Борирование при 1205® С 4 я. 2. Силицирование при 1315® С 6 я
Обработка металлов для защиты от окисления
582
Цветные и тугоплавкие металлы и сплавы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Альтман М. Б., Лебедев А. А.* Чухров М. В. Плавка и литье легких сплавов. М., «Металлургия», 1969, с. 100—139.
2. Бондарев Б. И. Плавка и литье магниевых сплавов. М., «Металлургия», 1973, с. 10—26.
3. Буше И. А. Подшипниковые сплавы для подвижного состава. М., «Транспорт», 1967. 224 с.
4. Вульф Б. К. Термическая обработка титановых сплавов. М., «Металлургия», 1967. 375 с.
5. Глазунов С. Г., Моисеев В. Н. Конструкционные титановые сплавы. Под ред. А. Т. Туманова. М., «Металлургия», 1974. 368 с.
6. Гуляев А. И., Моргунова Н. Н., Клыпин Б. А. Сплавы на основе тугоплавких металлов. — В кн.: Металловедение и термическая обработка металлов 1968, М., изд. ВИНИТИ, 1970. 171 с.
7. Дриц М. Е. Магниевые сплавы для работы при повышенных температурах. М., «Наука», 1964. 229 с.
8. Дриц М. Е., Свидерская 3. А. Новое в области деформируемых магние« вых сплавов. «— В кн.: Химия металлических сплавов. М., «Наука», 1973, с. 158 — 166.
9. Дубинин Г. Н. Диффузионное хромирование сплавов. М., «Машиностроение», 1964. 450 с.
10. Захаров М. В., Захаров А. М. Жаропрочные сплавы. М., «Металлургия», 1972. 384 с.
11. Квурт О. С., Гинзбург Ф. Н. Новые специальные припои на основе олова. — «Сварочное производство», я 1970, № 7, с. 45—46.
12. Кестнер О. Е. Цинк и его сплавы. В кн.: Справочник металлиста. В 5-ти т. Т. 3. Кн. 1. М., Машгиз, 1958, с. 362—369.
13. Колачев Б. А., Ливанов В. А., Буханова А. А. Механические свойства титана и его сплавов. М., «Металлургия», 1974. 543 о.
14. Копецкий С. В. Структура и свойства тугоплавких металлов. М., «Металлургия», 1974, 205 с.
15. Корнилов И. И. Состояние и перспективы применения титана и его сплавов в народном хозяйстве. — В кн.: Новый конструкционный материал — титан. М., «Наука», 1972, с. 6 — 14.
16. Корнилов И. И. Титан. М., «Наука», 1975. 308 с.
17. Корнилов И. И. Никель и его сплавы. М., Изд-во АН СССР, 1958. с. 23—41.
18. Лакедемонский А. В., Хряпйн В. Е. Справочник паяльщика. Изд. 3-е, М., Машгиз, 1967. 327 с.
19. Лашко Н. Ф., Лаш ко С. В. Пайка металлов. Изд. 2. М., Машгиз, 1967. 367 с. . '
20. Ляхович Л. С., Ворошнин Л. Г., Щербаков Э. Д. и др. Силицирование металлов и сплавов. Минск, «Наука и техника», 1972. 280 с.
21. Магницкий О. Н. Литейные свойства титановых сплавов. Под ред. Б. Б. Гуляева. Л., «Машиностроение», 1968. 72 с.
22. Мальцев М. В. Термическая обработка тугоплавких редких металлов и их сплав.ов. М., «Металлургия», 1974. 350 с.
23. Мальцев М. В., Байков А. И., Соловьев В. Я. Технология производства ниобия и его сплавов. М., «Металлургия», 1966. 390 с.
24. Минкевич А. Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Изд. 2-е, перераб. М., «Машиностроение», 1965. 490 с.
25. Подшипники из алюминиевых сплавов. М., «Транспорт», 1974, 242 с. Авт.; Н. А. Буше, А. С. Гуляев, В. А. Двоскина, К. М. Раков.
26. Прокошкин ‘Д. А., Васильева Е. В. Сплавы ниобия. М., «Наука». 1964. 330 с.
27. Розенберг В. М., Николаев А. К. Об особенностях медных малолегированных тепло- и электропроводных сплавов. — «Цветные металлы», 1972, № 8, с. 65—70.
28. Рохлин Л. Л. Акустические свойства легких сплавов. М., «Наука», 1974, с. 51—72, 119 — 126.
29. Рудницкий Н. М. Материалы автотракторных подшипников скольжения. М., «Машиностроение», 1965. 162 с.
30. Савицкий Е. М., Бурканов Г. С. Металловедение тугоплавких металлов и сплавов. «Наука», 1967. 322 с.
Список литературы 583
31. Самсонов Г. В., Эпик А. П. Тугоплавкие покрытия. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Металлургия», 1973. 400 с.
32. Сверхлегкие конструкционные сплавы. М., «Наука», 1972, с. 5—8; 61—88; 136—140. Авт.: М. Е. Дриц, 3. А. Свидерская, Ф. М. Елкин, В. Ф. Трохова.
33. Смирягин А. П., Смирягина Н. А. и Белова А. В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М., «Металлургиздат», 1974, с. 92—280.
34. Сплавы молибдена. М., «Металлургия», 1975. 340 с., Авт.; Н. Н. Моргунова, Б. А. Клыпин, В. А. Бояршинов и др.
35. Тимонова М. А. Коррозия и защита магниевых сплавов. М., «Машиностроение», 1964, с. 45—260.
36. Чухров М. В. Модифицирование магниевых сплавов. М., «Металлургия, 1972, с. 5—15.
37. Шпагин А. И. Антифрикционные сплавы. М., Металлургиздат, 1956, 320 с.
38. Шпичинецкий Е. С. Цветные металлы и сплавы. Справочник машиностроителя. Т. 6. М.» «Машиностроение» 1964, с. 338 — 365.
39. Шпичинецкий Е. С. Никель и его сплавы. — В кн.: Справочник по машиностроительным материалам. Т. 2. М., «Машиностроение», 1959, с. 250—295.
40. Everhart J. L., Hlers G. О. Properties of Tin and Tin Alloys. — In Metals Handbook. Vol. 1. Cleveland, Ohyo, 1961, ed: 8, pp. 1064, 1142 — 1144.
41. Horwick E. W. Properties ad Selection of MeTals. — In Metals Handbook. Vol. 1. Cleveland, Ohyo, 1961, pp. 1157 — 1172.
42. Pratt G. C. Material for Plain Bearings Review 174. — «International Metallurgical Reviews». Lonuon—Ohyo, 1973, vol. 10, pp. 62—87.
Глава 4
КОМПОЗИЦИОННЫЕ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Волокнистые композиционные материалы — обширный класс материалов, представляющих собой объемное сочетание химически разнородных компонентов с четко выраженной границей раздела (упрочни-телей и матриц), придающих материалам монолитность. К ним относятся, например, стеклопластики, теплозащитные композиции и другие материалы.
При создании таких материалов применяют непрерывные и дискретные поликристаллические волокна и нитевидные кристаллы бора, углерода и различных соединений (окислов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические волокна (проволоки), отличающиеся, высокими значениями прочности и модуля упругости.
Армирующие наполнители в виде моноволокна и жгутов, проволоки, сетки, нитей, лент, бумаг, холстов и других волокнистых материалов сочетают с металлическими и неметаллическими (полимерными, углеродными, керамическими и др.) матрицами.
Прочностные и деформативные характеристики волокнистых компо-зиционных^материалов при условии совместимости армирующих волокон с матрицей определяются в основном свойствами упрочняющих волокон, их размерами, ориентацией и содержанием в композиции.
Жесткие армирующие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придавая ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, передает напряжения отдельным волокнам благодаря касательным напряжениям, действующим вдоль границы раздела волокно-матрица, и воспринимает напряжения, действующие в направлении, отличном от ориентации волокон.
В настоящее время для получения армированных материалов применяют в основном непрерывные стеклянные, углеродные, борные, органические волокна и проволоки. Керамические волокна (окислов, карбидов и нитридов) находятся в стадии опытных разработок (табл. 1).
Для стеклянных и органических волокон характерно повышенное удлинение при разрыве (2,5—5%) по сравнению с удлинением борных и углеродных волокон (0,4—1,5%). С ростом прочности последних этот показатель увеличивается.
У борных и керамических волокон высокая твердость и малая способность разупрочняться с повышением температуры. Максимальная рабочая температура органических волокон 300° С. Углеродные волокна в нейтральной и восстановительной среде выдерживают нагрев до
1.. Характеристики свойств высокомодульных волокон и однонаправленных эпоксидных композиций
Тип волокна Марка волокна Характеристика свойств волокон длиной 10 мм Характеристика свойств композиций *
кгс/мм2 va, % £‘•10“’, а кгс/мм2 VE •е °х £х-10“’ £х —— -10“’ V
% кгс/мм2 км
Стеклянные ВМ-1 ВМП М-11 390 470 470 28 10,5 9.5 11,0 — 4,4 5,0 4,9 205 240 220 7,0 6,6 7,4 98 114 98 3,35 3,15 3,9
Борные БН (сорт 2) БН (сорт 1) Борофил (США) 280 320 280 26 28 13 40 39 39 8 9 6 0,7 0,8 0,7 150 175 160 23,0 28,0 23,0 75 87 80 11,5 11,5 11,5
Углеродные ВМН-4 ВМН-5 Модмор-2 (Англия) 230 270 290 35 28 17 29 31 28 23 18 8 0,7 0,9 1,0 120 160 170 14,0 14,5 14,0 83 ПО 117 10,0 10,0 10,0
Органические СВМ PRD-49 (США) 280 280 — 12 13,3 — 2,5 2,0 150 140 6,0 8,2 111 100 4,45 5,95
• Содержание наполнителя 60% (объемных).
Примечание. VQ и Vg — соответственно коэффициенты вариации прочности и модуля упругости волокон.
Композиционные материалы конструкционного назначения
ОО
Q1
586
Композиционные и неметаллические материалы
2200° С, сохраняя при этом свою прочность. На воздухе они начинают окисляться при температуре около 450° С. Повышение окислительной устойчивости борных и углеродных волокон обеспечивается нанесением на их поверхность кислородостойких защитных покрытий из тугоплавких соединений. Для углеродных волокон наибольшее распространение получили пиролитические покрытия, для борных волокон — покрытия карбида кремния и карбида бора.
Свойства матрицы определяют, как правило, уровень рабочих температур композиции, характер изменения ее свойств при воздействии температуры, атмосферных и других факторов, режимы получения и переработки материалов. В качестве матриц используют металлы и сплавы, полимеры, кислородные и бескислородные тугоплавкие соединения, кокс и пироуглерод.
В производстве стекло-, карбо-, боро- и органоволокнитов чаще всего применяют матрицы на основе эпоксидных и полиимидных связующих, а для металлических композиционных материалов с борными и углеродными волокнами и стальной, вольфрамовой и другой проволокой — алюминиевые, магниевые, титановые и другие матрицы.
Механические свойства матрицы являются определяющими для свойств композиций при сдвиге, сжатии и нагружении нормальными напряжениями в направлениях, отличных от ориентации волокон, а также в сопротивлении композиций усталостному разрушению. С ростом механических характеристик матриц пропорционально увеличиваются характеристики механических свойств композиций при сдвиге и сжатии. В волокнистых композиционных материалах усталостное разрушение начинается с матрицы при достижении в ней определенного напряжения. Гетерогенная структура материала, различие в уровнях напряженности волокон и матрицы, а также наличие поверхностей раздела затрудняют процесс зарождения и роста трещин в направлении, перпендикулярном к направлению армирования, и образование магистральной трещины, приводящей к разрушению. Поэтому у композиционных материалов более высокое сопротивление усталостному разрушению, чем у традиционных материалов. Так, например, отношение усталостной прочности (на базе 107 циклов) к пределу прочности у стандартных алюминиевых и магниевых сплавов составляет 0,2— 0,3, а у боралюминиевой композиции ВКА-1—0,7—0,75, т. е. в 3—4 раза больше.
С увеличением предела прочности матрицы и модуля упругости волокна усталостная прочность композиционных материалов, упрочненных однотипными волокнами, возрастает. Точно так же с увеличением объемного содержания армирующих волокон до критической величины, несколько меньшей, чем при статическом нагружении в матрице, повышается сопротивление усталостному разрушению композиционного материала.
С повышением температуры прочностные и упругие свойства полимерных матриц и адгезия их к волокну постепенно снижаются вплоть до температуры стеклования, в результате чего понижается несущая способность композиционных материалов, особенно при сжатии и сдвиге, увеличиваются ползучесть и нелинейность диаграмм напряжения. Для изделий, длительно работающих при температуре выше 200° С, эпоксидные связующие заменяют более термостойкими, в основном полиимидными.
Композиционные материалы конструкционного назначения 587
Металлические композиционные материалы отличаются высокой термической стабильностью. Температурно-временная зависимость характеристик кратковременной и длительной прочности алюминиевых, магниевых, титановых и никелевых композиционных материалов при нагружении их вдоль оси волокон характеризуется малым темпом разупрочнения.
При 1100 и 1200° С длительная прочность композиционного материала, полученного методом направленной кристаллизации эвтектического сплава Ni3Al—Ni3Nb, отличается той же особенностью.
Рис. 1. Зависимости характеристик механических свойств эпоксибороволокнита КМБ-1 от содержа** ния борного волокна:
1 — модуль упругости при растяжении; 2 — предел прочности при изгибе; 3 — модуль сдвига;
4 — предел, прочности при сдвиге
Уровень рабочих температур дисперсноупрочненных никелевых сплавов достигает 1300° С, а композиций на основе карбидов, нитридов и материалов с углеродной матрицей 1500—2200° С.
Соотношение между упрочняющим и связующим компонентами меняется в зависимости от природы и текстуры наполнителя, смачивающей способности и монолитности матрицы, а также от назначения материала. Содержание наполнителя в композициях конструкционного назначения с ориентированными непрерывными волокнами составляет 60—80% (объемных), а с хаотическим расположением дискретных волокон и нитевидных кристаллов не превышает 20—30% (объемных), что связано с технологическими трудностями плотной упаковки дискретных наполнителей, характеризующихся широким диапазоном длины и диаметра монокристаллов полигональной формы. На рис. 1 показана зависимость характеристик механических свойств эпоксибороволокнита КМБ-1, упрочненного непрерывными ориентированными борными волокнами, от их содержания.
Волокнистая форма упрочнителей и существенное различие в прочностных и деформативных характеристиках волокон и матриц обусловливает анизотропию физико-механических свойств композиций, которую
588
Композиционные и неметаллические материалы
можно регулировать путем изменения взаимного расположения и содержания волокон. На рис. 2 приведены зависимости между напряжениями и деформациями при растяжении композиций с различной структурой армирования. Наиболее высокие прочность и жесткость достигаются в композициях с взаимно-параллельным расположением
непрерывных волокон при нагружении их в направлении ориентации.
Рис. 2. Схема армирования (а) и зависимости между напряжениями и деформациями при рас^ тяжении (б):
1 — 0°; 2 — ±10°; 3 — 0,90°; 4 — ±45°; 5 — 90°
Эти показатели увеличиваются с повышением прочности и модуля упругости армирующих волокон.
Для высоконаполненных композиционных материалов, у которых Va > 0,2 и Еа » Ем, аа » ом, что имеет место на практике, упругие характеристики в направлении главных осей симметрии — модули Юнга Ех и Еу, коэффициенты Пуассона vxy, чхг и модули сдвига Gxyt GX2 — вычисляют с точностью, удовлетворяющей инженерные расчеты, по уравнениям
Ex = EaVa; (1)
Еу = Ег = (1_мИа) ; (2)
vi/x = vx? = vaVa + vM(l — Va); (3)
где Еа, Ем — соответственно модули упругости волокна и матрицы; va, vM — соответственно коэффициенты Пуассона волокна и матрицы; Va — объемное содержание волокна в ком-
Точность расчетов при направленных материалов
позиции.
анализе и прогнозировании свойств одно-при растяжении по свойствам входящих
в них компонентов значительно повышается при использовании в расчетах средней прочности волокна в композиции, определенной на базе эффективной длины волокна, так как при этом учитывается масштабная
зависимость прочности волокон от их длины.
При этом выражение, описывающее прочностные свойства однонаправленных (трансверсально-изотропных) композиций при их нагружении вдоль волокон, имеет вид
ох = Ко5а Уа, * 0 %ф
(5)
где ^а£Эф— средняя прочность волокна, определяемая на базе эффективной длины волокна в композиции, равной 10/акр; Kff = = ^o£^o^£^O(p^an^oM — коэффициенты, учитывающие снижение степени реализации средней прочности волокна в композиции вслед-
Композиционные материалы конструкционного назначения 589
ствие их дискретности, дисперсии прочности и разориентации волокон, а также пористости и нарушения монолитности матрицы.
При соблюдении условий монолитности композиции матрица почти не влияет на коэффициенты реализации средних значений -прочности и модуля упругости углеродных волокон, и Z?Gm 1. Влияние матрицы обнаруживается при нарушении монолитности композиционных материалов вследствие уменьшения содержания в них связующего из-за увеличения степени наполнения или пористости, изменения свойств матрицы и прочности сцепления ее с волокнами при нагревании, в процессе термического или естественного старения, а также возрастания ее напряженности вследствие существенной разницы в коэффициентах линейного термического расширения компонентов. •
Анизотропию свойств волокнистых композиционных материалов принято характеризовать отношениями показателей модуля упругости EXIGXZ> Ех/Еу или прочности ох/тХ2, Ох/ву Наиболее отчетливо анизотропия проявляется при сопоставлении упругих и прочностных свойств волокон в направлении армирования с сопротивлением межслойному сдвигу и растяжению—сжатию в направлении, перпендикулярном к плоскости укладки волокон, и под углом к направлению армирования. С ростом прочности и жесткости волокон увеличивается различие в прочностных и упругих характеристиках армирующих волокон и матриц, увеличивается степень анизотропии механических свойств, что проявляется в повышенной чувствительности их к разориентации, искривлению и крутке волокон. При использовании в качестве армирующего наполнителя углеродных, органических и других анизотропных волокон увеличивается разница свойств композиции в направлении главных осей армирования. Анизотропию механических свойств самих волокон, таких, как органические и углеродные, необходимо учитывать при анализе и прогнозировании свойств композиций в трансверсальном направлении.
Регулирование степени анизотропии и свойств материалов в плоскости армирования достигается перекрестным расположением армирующих слоев. При ортогональной схеме укладки слоев прочность (ох, ву) и модуль упругости (Ех, Еу) пропорциональны объемному содержанию волокон в направлении армирования.
Деформативные (модуль Юнга, коэффициент Пуассона и модуль сдвига) свойства материалов с ортогональной укладкой при их нагружении под углом к основным осям упругой симметрии рассчитывают с использованием уравнений по известным значениям EXi Еу, Е45 и vxy:
Ew = Ех (cos4 <р 4- т sin2 2ф + п sin4 ф)"1; (6)
(7ф = Ех [2уХу + 4т — 4 (2т — с) sin 2 ф]"1, (7)
Ех Ех . п—1
где н = г; с= — ; т = с-------------—.
СУ Г45 *
Прочность при растяжении или сжатии, сдвиге в плоскости армирования также рассчитывают по аналогичным формулам, позволяющим вычислить прочность для любого направления на основании экспериментальных или расчетных значений прочности в продольном, поперечном и диагональном (под углом 45°) направлениях.
В табл. 2 приведены прочностные свойства композиций алюминий— борное волокно, эпоксиборо- и карбоволокнитов с различной струк-
с =
2. Характеристики механических свойств композиционных материалов с ортогональной и сложной укладкой волокон
Характеристика Материал
ВКА-1 (Уа = 48%) КМБ-1 (Va = 47%) КМУ-1 (Va = 57%)
1 : 0 1 :1 (0°; 90°) 1:0 1 : 1 (0°; 90°) 1 : 2 (0°; 90°) 1:1:1 (120°; 120°; 120°) 1 : 1 1 : 1 (0°; 90°) 1 : 1 (±15°)
Модуль упругости при растяжении, кгс/мм2: Ех 24 000 12 500 16 200 8 600 6 900 9 200 14 900 7 020 12 300
£45° 9 300 — 1 540 1 620 2 000 8 900 1 200 1 400 1 600
ЕУ 7 100 12 200 1 860 8 500 12 000 9 300 700 7 100 1 050
Модуль упругости при сдвиге, кгс/мм2: — 445 445 445 745 390 390 390
в*У — — — — — 3 300 — 3 120 740
Предел прочности при растяжении, кгс/мм2: ах 115 52 95 43 32 38 100 46 76
а45° 12 14 8 14 18 68 6 10 7
°9 8 54 6,5 45 72 38 1.5 45 4.3
Усталостная прочность на базе 10’ циклЬв, кгс/мм2 60 22 35 18 12 15 40 20 22
Логарифмический декремент затухания колебаний, % 0,4 — 0.8 1.6 2,4 4,5 1.2 2.4 6
Композиционные и неметаллические материалы
Композиционные материалы конструкционного назначения 591
турой армирования при нагружении их под различными углами к главным осям упругой симметрии.
Композиционным материалам с однонаправленным и перекрестным расположением волокон, когда необходимая толщина изделия создается последовательной укладкой армирующих слоев, присущи низкая сдвиговая и низкая трансверсальная прочность. Модуль упругости и предел прочности при межслойном сдвиге и поперечном растяжении— сжатии в таких композициях более чем на порядок отличаются от модуля Юнга и прочности в направлении армирования. В ряде случаев эта особенность может препятствовать реализации высоких прочности и жесткости композиций в конструкциях. Повышение прочности сцепления матриц с волокнами путем их поверхностной обработки способствует увеличению прочности материала при сдвиге и сжатии, но не является эффективным средством повышения упругих характеристик при этих видах нагружения. Существенное возрастание жесткости и прочности при межслойном сдвиге, а также сопротивления материала поперечному отрыву достигается созданием в нем поперечных связей. Материалы с пространственно сшитой арматурой (многослойные ткани) используют при создании стеклопластиков и органоволокнитов. Основной недостаток их — значительное искривление волокон основы, что приводит к резкому снижению характеристик механических свойств композиций в этом направлении. Для высокомодульных углеродных и борных волокон наиболее приемлема схема трехмерного армирования изотропных текстильных материалов ИТМ, при которой волокна сохраняют прямолинейность. В этом случае в разных направлениях могут быть уложены различные волокна, благодаря «ему образуется многокомпонентный материал.
Введение нитевидных кристаллов в межволоконное пространство— вискеризацию — производят осаждением Нитевидных кристаллов на поверхность различных армирующих наполнителей или выращиванием их на углеродных волокнах в процессе химических реакций из газовой фазы. Вискеризация позволяет повысить сдвиговые характеристики полимерных композиций без ухудшения их свойств в направлении армирования. При увеличении объемного содержания нитевидных кристаллов на волокне до 4—8% возрастают в 1,5—2 раза сдвиговая прочность материала и на 40—50% модуль упругости при сдвиге и прочность при сжатии.
В некоторых случаях сочетанием разнородных наполнителей удается получить материалы с нужным комплексом свойств. На рис. 3 приведены графики зависимости модуля упругости, предела прочности, ударной вязкости и усталостной прочности углестеклопластиков от содержания углеродных волокон. Модуль упругости, коэффициент Пуассона, усталостная прочность и ударная вязкость однонаправленных трехкомпонентных композиционных материалов монотонно изменяются с изменением соотношения разномодульных волокон в интервале значений, присущих двух компонентном композициям. Прочность при растяжении проходит через минимум, соответствующий критическому содержанию низкомодульных волокон, которое увеличивается с уменьшением разности между отношением прочности низкомодульных и высокомодульных волокон и отношением их модулей упругости.
Сочетание разномодульных волокон позволяет регулировать свойства композиционных материалов: повышать модуль упругости и усталостную прочность стеклопластиков, ударную вязкость, прочность
592
Композиционные и неметаллические материалы
при сжатии и смятии углепластиков, особенно в местах заделок и приложения сосредоточенных нагрузок. При этом наибольший эффект достигается при укладке высокомодульных волокон под углом к направлению ориентации стекловолокон, что дает возможность оптимизировать свойства композиций в плоскости армирования по их жесткости Ех, Еу, Gxy и ударной вязкости.
Создание слоистых материалов, когда слои волокнистого материала чередуются со слоями фольги из другого или того же материала, что и волокна в слое композиционного материала, позволяет, изменяя
Рис. 3. Зависимость модуля упч ругости (/) и предела прочности при 1 растяжении (2), ударной вязкости (3) и усталостной прочности (4) карбостекловолок-нита от соотношения углерод-* ных и стеклянных волокон [об-* щее содержание наполнителя в композиции 62% (об)]
содержание фольги, регулировать их свойства и степень анизотропии свойств материала, повышать его характеристики в направлениях, отличных от направления укладки волокон, особенно модуль сдвига в плоскости армирования.
Полимерные карбоволокниты характеризуются низкой плотностью, высоким модулем упругости, низким коэффициентом термического расширения, стабильностью коэффициента трения и малым износом при тренииf тепло- и электропроводностью.
При получении промышленных карбоволокнитов используют высокомодульные волокна в виде крученых жгутов, состоящих из различного числа элементарных волокон диаметром 5—10 мкм и тканой ленты кордной текстуры с редким утком. Наполнитель в виде тканой ленты более технологичен при переработке, однако наличие слабых уточных нитей уменьшает степень наполнения карбоволокнитов до 45—50% (об.) по сравнению с 55—62% (об.), характерными для материалов на основе жгутов, и, как следствие этого, некоторые прочностные и; упругие характеристики карбоволокнитов уменьшаются. В табл. 3 приведены основные характеристики механических свойств различных эпоксифеноль-ных карбоволокнитов: КМУ-1Л на основе углеродной ленты; КМУ-1у на основе углеродного жгута; КМУ-1в — на основе того же жгута, вискеризованного нитевидными кристаллами. Использование ленты и жгутов, состоящих из более прочных моноволокон, обеспечивает повышение прочности карбоволокнитов при растяжении и изгибе.
Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл на основе эпоксианилинофор-мальдегидного связующего предназначены для изделий, эксплуатирующихся при температурах до 100° С. До температуры 80° С карбоволок-
Композиционные материалы конструкционного назначения 593
ниты сохраняют свои прочностные и упругие свойства неизменными, соответствующими свойствам материалов КМУ-ly и КМУ-1л.
Карбоволокниты на эпоксифенольном связующем используют в изделиях, работающих длительно при температурах до 200° С. Для изделий, длительно работающих до 300° С, применяют карбоволокниты марки КМУ-2 и КМУ-2л на полиимидном связующем.
Показатель, наиболее чувствительный к температурному воздействию, — предел прочности при изгибе и межслойном сдвиге, линейно понижающийся с ростом температуры вплоть до температуры стеклования связующего.
Изделия из карбоволокнитов можно изготавливать несколькими методами: «мокрой» намоткой, когда жгуты или ленты пропитывают связующим в процессе укладки на вращающуюся оправку, пропиткой связующим под давлением, когда заготовку из сухого наполнителя пропитывают связующим в замкнутой форме, выкладкой или намоткой препрега в виде пропитанных смолой непрерывных лент или листов и последующего формования при повышенных давлении и температуре. Метод выбирают в зависимости от геометрических особенностей изделия и типа применяемого связующего. Природа связующего определяет основные технологические параметры формования материалов: давление, время и температуру. Наиболее технологичны карбоволокниты КМУ-3, температура и давление формования которых минимальны.
Особенность карбоволокнитов — их высокая усталостная прочность, большая, чем у боро- и стекловолокнитов, и имеющая тот же порядок, что и прочность титана и легированных сталей. Отличаясь высокой демпфирующей способностью, карбоволокниты существенно превосходят металлы по вибропрочности. Ориентируя волокна под углом друг к Другу, можно в больших пределах изменять демпфирующую способность карбоволокнитов и предотвращать резонансный режим деталей, не изменяя их геометрии.
К недостаткам слоистых карбоволокнитов относится их низкая прочность при сжатии и межслойном сдвиге, увеличение которых в 1,5— 3 раза достигается различными методами поверхностной обработки углеродных волокон: окислением на воздухе, травлением в азотной киёлоте, выращиванием нитевидных кристаллов.
Теплофизические характеристики карбоволокнитов существенно анизотропны. В направлении, перпендикулярном к плоскости укладки волокон, они на 30—50% выше, чем у стеклопластиков. В направлении укладки волокон теплофизические свойства изменяются в зависимости от ориентации волокон и их содержания в направлении измерения. Необычна зависимость относительного удлинения однонаправленного карбоволокнита от температуры, определяемая термическими свойствами карбоволокон, коэффициент линейного расширения которых в интервале температур 20—300° С отрицателен. Коэффициент термического расширения однонаправленного карбоволокнита КМУ-1 в интервале температур 20—120° С близок к нулю, в интервале 120—200° С равен 0,5-10"6 1/°С, а для ортогонально армированного материала (укладка 1:1) в тех же интервалах температур составляет соответственно 0,6*10”в и 1,0-10"в 1/°С.
Полимерные бороволокниты отличаются от других композиционных материалов сочетанием таких свойств, как высокое сопротивление сжатию, срезу, сдвигу, низкая ползучесть, высокие твердость и модуль упругости.
594
Композиционные и неметаллические материалы
В качестве армирующего наполнителя бороволокнитов используют борное волокно в виде единичной нити непрерывной длины диаметром 100 или 150 мкм и комплексные боростеклонити, состоящие из 7 или 49 параллельных бороволокон, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью высокого метрического номера для придания формоустойчи-вости.
Прочность бороволокнитов при изгибе и растяжении зависит от' средней прочности бороволокна, используемого для их изготовления. Использование бороволокна сортов 1, 2 и 3 обеспечивает получение бороволокнитов со средним значением предела прочности при изгибе 175, 160 и 120 кгс/мм2 соответственно. При этом предел прочности при сжатии остается постоянным на уровне 120 кгс/мм2.
Использование комплексных боростеклонитей позволяет в несколько раз повысить производительность процесса намотки и сократить общую продолжительность технологического цикла изготовления материала, но при этом увеличивается толщина монослоя и несколько уменьшается содержание борного волокна в композиционном материале, что вызывает незначительное снижение его упругопрочностных свойств (см. табл; 3). В зависимости от температуры эксплуатации изделий указанные наполнители сочетают с модифицированными эпоксидными и полиимидными связующими. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1 к на эпоксиизоцианатном связующем предназначены для длительной работы при температуре 200° С. Бороволокнит КМБ-2к на основе амидо-имидного связующего работоспособен при температуре 300° С. Материалы КМБ-3 и КМБ-Зк на модифицированном эпоксидном связующем, отличающемся повышенными прочностными свойствами и технологичностью, характеризуются более высоким пределом прочности при сдвиге и сжатии, низким давлением формования при переработке, вплоть до вакуумного, но уровень рабочих температур этих материалов не превышает 100° С.
Своеобразие геометрических, механических и физико-химических характеристик борного волокна предопределяет ряд специфических особенностей свойств бороволокнитов. Характерная ячеистая микроструктура обеспечивает достижение высокой прочности при сдвиге по границе раздела упрочняющей и связующей компонент. Отсутствие крутки и искривленности волокон, обусловленных большим диаметром и высокой жесткостью волокон, благоприятствует более полной реализации их механических свойств, в первую очередь модуля упругости, в композиционном материале и повышает его сопротивление при сжатии. Однако большой диаметр волокна вызывает увеличение эффективной длины и повышение чувствительности бороволокнитов к нарушению целостности волокон, что приводит к некоторому снижению прочности бороволокнитов при растяжении по сравнению с прочностью материалов на основе равнопрочного тонковолокнистого наполнителя.
Высокая длительная прочность, неизменность деформативных свойств во времени и низкое удлинение при разрыве волокон бора предопределяют высокий уровень статической усталости и малую ползучесть материалов на их основе. Достаточно высокая усталостная прочность бороволокнитов, составляющая для материалов КМБ-1м и КМБ-2 35—40 кгс/мм2, может быть увеличена при использовании более высокопрочной матрицы.
Наряду с отмеченными особенностями механические свойства бороволокнитов подчиняются общим для армированных систем закономер-
3. Характеристики физико-механических свойств однонаправленных эпоксикарбоволокнитов,' эпоксибороволокнитов и карбоволокнита с углеродной матрицей
Характеристика Карбоволокниты Бороволокниты Карбоволокнит с углеродной матрицей куп-вм
КМУ-1Л КМУ-1У п 2* & КМБ-Im КМБ-1к КМБ-2к КМБ-Зн
Плотность, г/см8 Предел прочности, кгс/мм2, при: 1.4 1,47 1,55 2,1 2,0 2,0 2,0 1,35
растяжении 65 102 100 130 90 100 130 20
сжатии 35 40 54 116 92 125 150 26
изгибе 80 ПО 120 175 125 155 145 64
сдвиге Модуль упругости, кгс/мм2, при: 2,5 3 4,5 6 4,6 6 7,5 4,2
растяжении , 12 000 18 000 18 000 27 000 21 400 26 000 26 000 16 500
изгибе 10 000 14 500 16 000 25 000 22 300 21 500 23 800 16 000
сдвиге Длительная прочность при изгибе за 1000 ч, 280 350 535 980 700 680 720 —
кгс/мм2 Усталостная прочность на базе 10’ циклов, 48 88 90 137 122 120 130 —
кгс/мм2 30 50 35 40 35 40 42 24
Относительное удлинение при разрыве, % 0,5 0,6 0,6 0,3 —0,5 0,3 0,3 —0,4 0,3 —0,4 —
Коэффициент Пуассона 0,22 0,27 0,22 0,22 0,22 0,18 0,2 —
Ударная вязкость, кгс* см/см2 50 44 84 90 78 110 ПО 12
Композиционные материалы конструкционного назначения
596
Композиционные и неметаллические материалы
ностям. Регулирование свойств бороволокнитов достигается варьированием схем ориентации наполнителя.
Теплофизические характеристики бороволокнитов так же, как и карбоволокнитов, анизотропны. Бороволокниты стойки к воздействию проникающей радиации. Длительное воздействие воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов не влияет на изменение их механических свойств.
Карбоволокниты с углеродной матрицей находят применение для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры, заменяя различные типы графитов. Сохранение углеродным волокном присущей ему высокой прочности вплоть до температуры сублимации, высокая прочность сцепления с коксом связующего придает этим композициям высокие механические и абляционные свойства, стойкость к термическому удару и другие ценные свойства. Процесс изготовления карбоволокнитов с углеродной матрицей состоит из трех стадий: получения обычного карбоволокнита на полимерном связующем, пиролиза полученного карбоволокнита в инертной или восстановительной среде при температуре 1000—1500° С, пороуплотнения дополнительной пропиткой связующим с последующей карбонизацией или пироуглеродом.
Свойства материалов типа КУП-ВМ изменяются в зависимости от типа и ориентации волокна, плотности коксового остатка, количества пироуглерода.
По значениям прочности и ударной вязкости материал КУП-ВМ превосходит в 5—10 раз специальные графиты и при нагреве в инертной атмосфере и вакууме сохраняет неизменной прочность вплоть до температуры 2200° С. При нагреве на воздухе материал без специального покрытия начинает окисляться при 450° С.
При трении одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому коэффициент трения их высок (0,35—0,45), а износ мал (0,7— 1 мкм на торможение). Применение чугуна вместо углеродного материала позволяет снизить массу тормозных дисков на 40—50% и увеличить ресурс эксплуатации в 1,5—2 раза.
Композиционный материал на алюминиевой основе ВКА-1 состоит из чередующихся слоев фольги алюминия или алюминиевых сплавов и волокон бора. Для предотвращения взаимодействия фольги с борными волокнами при нагреве в условиях длительной эксплуатации "на последние наносят барьерный слой карбида кремния или нитрида бора толщиной 3—5 мкм.
Композиционный материал на магниевой основе, армированный борными волокнами, состоит из чередующихся слоев магниевой фольги и борных волокон 30—50 об. % (табл. 4).
К числу наиболее известных способов изготовления композиционных материалов системы алюминий — борное волокно, алюминий — углеродное волокно, а также магний — борное волокно относятся диффузионное соединение пакетов горячим прессованием и пропитка армирующих материалов жидкометаллической матрицей.
Метод диффузионного соединения пакетов является основным при изготовлении полуфабрикатов и деталей из легких композиционных материалов.
Методом пропитки композиционные материалы получают различными способами, например протяжкой волокон через расплав матрич-
Композиционные материалы конструкционного назначения 597
4. Характеристики свойств однонаправленных композиционных материалов с металлической матрицей
Характеристика Алюминий — стальная проволока Алюминий — бор ное волокно Магний — борное волокно
Содержание волокна, % (объем.)
25 40 50 45
ПЛОТНОСТЬ', г/смэ Предел прочности при растяжении, кгс/мм8, при: 20° С 400° С Модуль упругости, кгс/мм8 Длительная прочность за 100 ч при 400° С, кгс/мм8 Усталостная прочность, на базе Ю7 циклов, кгс/мм8 . . Коэффициент линейного термического расширения а-10% 1/°С 4,1 120 75 10 500 40 30 4,8 160 80 12 000 45 35 11,8 2,65 115 85 24 000 65 60 6,0 2,2 125 90 20 000 60 55 6,5
ного материала, вакуумным всасыванием, пропиткой в автоклаве, непрерывным литьем с пропиткой и т. д.
Максимальные значения прочности присущи однонаправленным композициям при их нагружении в направлении армирования. При растяжении композиции поперек волокон прочность близка к прочности матрицы и составляет 10—15 кгс/мм2.
Повышение трансверсальной прочности достигается в полиматрич-ных системах, например трехкомпонентной композиции, такой, как алюминий—титан—борное волокно. В этом случае при незначительном повышении плотности (на 10—15%) удается повысить трансверсальную прочность в 2 раза.
Одновременно с повышением трансверсальной прочности наличие титановой фольги на внешней поверхности композиционного материала увеличивает эрозионную стойкость и улучшает условия для создания надежных соединений.
Композиционный материал на алюминиевой основе, армированной стальной проволокой, отличается от других композиционных материалов доступностью и низкой стоимостью армирующего наполнителя, а также лучшими тепло- и электропроводностью.
В качестве матрицы в этом материале используют фольгу из алюминия и алюминиевых сплавов, армирующим элементом служит проволока из аустенитной стали ЭП322 или аустенитно-мартенситной стали ВНС9 диаметром 0,15—0,30 мм с пределом прочности 350—400 кгс/мм2. Объемное содержание проволоки в композиции составляет 25—40%.
Свойства композиционного материала алюминий—стальная проволока приведены в табл. 4.
Композиции на основе алюминия и магния, упрочненные углеродными волокнами, обладают более высокими удельными характеристи-
598
Композиционные и неметаллические материалы
Е\ •
ками I —, — J, поскольку при равной прочности с борными волокнами плотность углеродных волокон на 30% меньше.
Известны два способа изготовления композиционных материалов на основе легких сплавов, армированных углеродными волокнами: свободная пропитка пакетов с углеродными волокнами, предварительно покрытых барьерным слоем, и принудительная пропитка в автоклаве под давлением жидким расплавом.
Прочность композиционных материалов на основе алюминия и магния с углеродными волокнами при содержании последних 30—40% (объемных) составляет при комнатной температуре 70—80 кгс/мм2, а при 400° С 60—70 кгс/мм2. Их модуль упругости 13 000—15 000 кгс/мм2 при плотности 2,3 г/см3 для алюминиевой композиции и 1,8 г/см3 для магниевого композиционного материала.
Указанные композиционные материалы отличаются от обычных промышленных сплавов высокой температурной стабильностью. Их прочность, жаропрочность и модуль упругости мало изменяются с повышением температуры испытания до 450° С.
Композиционные материалы на никелевой основе, упрочненные непрерывными волокнами — проволокой из тугоплавких металлов или сплавов, изготавливают тремя основными методами: вакуумной пропиткой каркаса волокон жидкометаллической матрицей; деформацией пакета чередующихся слоев матричного материала и волокон упрочни-телей; методом порошковой металлургии, при котором армирующие волокна заливают суспензией порошкового материала способом шликерного литья с последующим спеканием заготовок или деталей.
Примером такого материала является никельвольфрамовая композиция ВКН-1 — композиция на основе жаропрочного сплава ЖС6К, содержащего 50% (об.) вольфрамовых волокон. Этот материал получают методом вакуумной пропитки каркаса волокон, помещенных в эвакуированные стальные ампулы, расплавом ЖС6К- Свойства материала приведены в табл. 5.
5. Изменение характеристик свойств никелевого композиционного материала, армированного вольфрамовой проволокой (50% объем.) при нагреваний
Характеристика Температура испытания, °C
20 1100 1200
Предел прочности при растяжении, кгс/мм2 Предел текучести, кгс/мм2 Относительное удлинение при разрыве, % Длительная прочность за 100 ч, кгс/мм2 70 63 1,0—2,5 53 50 15 38 36 8
Длительная прочность такого композиционного материала с обычной вольфрамовой проволокой марки ВА составляет при 1100° С 15 кгс/мм2 за 100 ч испытания. При замене вольфрамовой проволоки В А волокном ВТ15 (торированный вольфрам) или проволокой из сплава
Пластические массы
599
вольфрам-гафний—углерод можно увеличить длительную прочность композиции.
Сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур относят к композиционным, поскольку в процессе их получения образуется типичная для композиционных материалов регулярная ориентированная волокнистая или слоистая структура. Упрочняющая фаза в этих системах имеет форму нитевидных кристаллов, равномерно распределенных в матрице, и прочно связана с ней. Свойства нитевидных кристаллов, извлеченных из эвтектического сплава, примерно такие же, как и свойства нитевидных кристаллов, полученных из газовой фазы.
Изготовление деталей методом направленной кристаллизации производят путем расплавления шихты эвтектического сплава и последующего его охлаждения в форме с постоянной заданной скоростью.
Примерами таких композиций являются Nb—Nb2C, Та—Та2С, Ni—NiMo, Ni3Al—Ni3Nb. Наилучшие сочетания механических свойств были получены на псевдобинарных системах Со—Та—С и Ni—Al—Nb, а также на моновариантной эвтектике Со—Сг—С. Жаропрочность этой композиции при 1100° С превосходит в 2 раза жаропрочность лучших стареющих никелевых сплавов.
Характеристики механических'свойств эвтектического сплава системы NisAl—Ni3Nb
Предел прочности при растяжении, кгс/мм2, при: 20°С . 100
1100° С............................................. . 50
Относительное удлинение при разрыве, %.................... . 0,6
Длительная прочность за 100 ч при 1100° С, кгс/мм2 .... 15
Усталостная прочность на базе 107 циклов при 870° С, кгс/мм2 . 40
Ударная вязкость, кгс*см/см2 , 1,8
Недостатки этих материалов — малая пластичность (удлинение 0,6%) и плохая устойчивость к высокотемпературному окислению.
ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Основные сведения
Пластические массы получают на основе высокомолекулярных соединений — полимеров.
В зависимости от типа связи между макромолекулами различают линейную, разветвленную и сетчатую структуры полимерных материалов. Материалы с линейной и разветвленной структурами относятся к термопластичным (термопластам), со сшитой структурой — к термореактивным (реактопластам). Термопласты при нагревании расплавляются, при охлаждении возвращаются в исходное состояние. Реактопласты, отличаясь более высокими рабочими температурами, при нагревании разрушаются и при охлаждении не восстанавливают своих свойств.
Различают полимеры нейтральные и полярные. У нейтральных полимеров молекула мономера имеет симметричное, у полярных — асимметричное строение. Полярные полимеры обладают большим дипольным моментом, они способны притягивать другие молекулы и
600
Композиционные и неметаллические материалы
прежде всего молекулы воды. Полярные полимеры имеют большое водопоглощен и е (капрон, винипласт).
Термопласты при нормальной температуре могут находиться в одном из трех физических состояний: стеклообразном, высокоэластическом, вязкотекучем. Все три состояния можно наблюдать на образце из аморфного термопласта после его сжатия и нагревания (рис. 4).
Для реактопластов высокоэластическое состояние нехарактерно, вязкотекучее невозможно, они находятся обычно в стеклообразном состоянии.
Для придания полимерам необходимых свойств в них вводят наполнители (стеклоткань, хлопчатобумажная ткань — для повышения прочности; древесная мука—для снижения усадки и удешевления материала и др.), стабилизаторы (сажа для повышения стойкости
Рис. 4. Термомеханическая кривая:
I— стеклообразное состояние: П — высокоэластическое состояние;
111 — вязкотекучее состояние
Рис. 5. Кривая ползучести термопластов:
/ — участок упругой деформации; 2 — участок высокоэластической деформации;
3 — участок пластической деформации
полиэтилена против старения и др), пигменты (для окраски материала в нужный цвет), пластификаторы (ди бути л фтал ат для повышения пластичности поливинилхлорида и др.), модификаторы (графит для повышения антифрикционных свойств капрона и др.).
Протекание релаксационных процессов в пластмассах специфично. Это связано с тем, что скорость приложения или снятия нагрузки опережает скорость перестройки длинных, гибких макромолекул полимера, стремящихся перейти в новое состояние равновесия.
Необходимо учитывать разновидность протекания релаксационного процесса — ползучесть пластмасс или развитие деформации во времени под влиянием нагрузки е = f (т). На рис. 5 показана кривая ползучести для термопласта. Ползучесть у пластмасс проявляется уже при комнатных температурах. Полная деформация образца может быть записана в виде
8 = 8уП 4- 8d, э + епл, где е — полная деформация образца; еуп — упругая составляющая деформации; ев.э — высокоэластическая составляющая деформации; епл — пластическая составляющая деформации
Пластические массы
601
Прочность пластмасс зависит от температуры испытания (рис. 6) и от скорости приложения нагрузки (рис. 7). Под влиянием внешних факторов (механические напряжения, свет, тепло, кислород воздух?
Рис. 6. Диаграммы растяжения полиметилметакрилата при различи ной температуре
Рис. 7. Диаграммы растяжения поливинилхлорида при различи ной скорости нагружения а:
и т. д.) в пластмассах происходят сложные физические и химические процессы, называемые старением. Как правило, в результате старения свойства пластмасс ухудшаются.
Таким образом, результаты, полученные при кратковременных
1 — 6 = 2,92* 10“3 кгс/(мм2* fc);
2 — 0=9* 10”8 кгс/(мм2*с);
3 — о = 4,58’ 10”2 кгс/(мм2» с);
4 — о = 1,07* 10~2 кгс/(мм2* с);
5 — о=7 кгс/мм2* с; 6 — о = = 8 Krc/(MM2*c)j
статических испытаниях полимерных материалов, не могут надежно характеризовать поведение деталей под нагрузкой, ибо необходимо учитывать температуру, скорость деформации и влияние среды.
Методы испытаний
Механические, физические и тепловые свойства пластических масс определяют в соответствии с ГОСТами.
Механические свойства определяют методами:
1) испытания на растяжение (определение разрушающего напряжения, предела текучести, относительного удлинения) (ГОСТ 11262—68);
2) испытания на статический изгиб (ГОСТ 4648—71);
3) испытания на сжатие (ГОСТ 4651—68);
4) определения модуля упругости для пластмасс, модуль упругости которых не ниже 3000 кгс/см2 (ГОСТ 9550—71);
5) испытания на ударный изгиб (ударную вязкость) (ГОСТ 4647—69*);
6) испытания на изгиб на приборе Динстат (ГОСТ 17036—71);
7) определения ударной вязкости на приборе Динстат;
602
Композиционные и неметаллические материалы
8) определения сопротивления раскалыванию (ГОСТ 13537—68);
9) определения твердости путем вдавливания шарика под заданной нагрузкой (ГОСТ 4670—67);
10) испытания на абразивный износ (ГОСТ 11012—69);
11) определения коэффициента трения (ГОСТ 11629—75).
В ГОСТ 14359—69 приведены общие требования по методам механических испытаний.
Физические и тепловые свойства определяют методами:
1) гидростатического взвешивания для определения плотности (ГОСТ 15139—69);
2) определения водопоглощен и я в холодной и кипящей воде (ГОСТ 4650—73);
3) определения теплостойкости по Мартенсу (ГОСТ 15089—69);
4) определения температуры размягчения по Вика при испытании в воздушной среде (ГОСТ 15065—69);
5) определения температуры размягчения термопластов по Вика при испытании в жидкой среде (ГОСТ 15088—69);
6) определения показателей теплостойкости при изгибе (ГОСТ 12021—75);
7) определения температуры хрупкости при изгибе (ГОСТ 16782—71);
8) испытания на старение под воздействием естественных климатических факторов (ГОСТ 17170—71);
9) испытания на старение под воздействием искусственных климатических факторов (ГОСТ 17170—71);
10) определения горючести (ГОСТ 17088—71);
11) определения среднего коэффициента линейного теплового расширения (ГОСТ 15173—70);
12) испытания на химическую стойкость (ГОСТ 12020—72);
13) определения стойкости полиэтилена к растрескиванию под напряжением (ГОСТ 13518—68);
14) . определения стойкости к действию накала (жаростойкости) (ГОСТ 10456—69);
Изготовление образцов из термопластов регламентировано ГОСТ 12019—66, из реактопластов — ГОСТ 12015—66.
Общие свойства
Плотность пластмасс в среднем в 5—8 раз меньше, чем у стали, меди, и в 2 раза ниже, чем у алюминия. Плотнбсть зависит от природы материала, вида и процентного содержания наполнителя и других факторов.
Механическая прочность пластмасс зависит от вида наполнителя. У термопластов без наполнителя и реактопластов с порошковым наполнителем небольшая прочность. У стеклопластиков — композиционных материалов на основе смол и стеклянного наполнителя в виде элементарных волокон, жгутов разрушающее напряжение при растяжении выше, чем у малоуглеродистых сталей, а удельная прочность (отношение разрушающего напряжения к плотности) их выше, чем у высокопрочных конструкционных сталей типа ЗОХГСА. Слоистые и волокнистые пластмассы хорошо сопротивляются действию ударных и динамических нагрузок. Механическая прочность пластмасс зависит от температуры среды и времени приложения нагрузки.
Пластические массы
603
Антифрикционные и фрикционные свойства. У одних пластмасс — фторопластов, полиамидов, текстолитов, древесно-слоистых пластиков — низкий коэффициент трения и высокая износостойкость. У других — асбопластиков, фенольных пресскомпозиций с асбоволокнистым наполнителем — высокий коэффициент трения.
Диэлектрические показатели. Все пластмассы — диэлектрики (за исключением материалов со специальным наполнителем). Наилучшие диэлектрики — фторопласты, полиэтилены, полистирол.
Антикоррозионные свойства и химическая стойкость. Пластмассы не подвержены коррозии. Большинство пластмасс стойки к агрессивным средам (фторопласты, полиэтилен, полипропилен, винипласты, стеклопластики на основе эпоксидных, полиэфирных и фенолоформальде-гидных смол и др.).
Демпфирующие свойства. Стеклопластики, стеклотекстолиты, гети-наксы отличаются способностью к поглощению энергии вибрации. Это дает возможность создавать надежные конструкции.
Радиопрозрачность и немагнитность — специфические свойства пластмасс. Благодаря этим свойствам можно решать ряд сложных технических задач простым способом.
Теплопроводность и температуропроводность. Эти показатели для пластмасс значительно ниже, чем у металлов. С одной стороны, это позволяет создавать на их основе хорошие теплоизоляционные материалы для кратковременной тепловой защиты при высоких температурах, с другой — приводит к появлению внутренних напряжений при переработке и к нежелательной концентрации тепла, например в подшипниках скольжения.
Теплоемкость у пластмасс выше, чем у металлов.
Коэффициент линейного термического расширения во много раз выше, чем у металлов.
Оптические свойства. Некоторые пластмассы (оргстекло, стеклопластики на основе ненасыщенных полиэфирных смол, производные целлюлозы и др.) отличаются высокой прозрачностью и бесцветностью.
Классификация пластмасс по механическим свойствам
С некоторой долей условности конструкционные пластические массы можно разбить на три группы:
низкой прочности, у которых разрушающее напряжение при растяжении (Ор) не превышает 500—600 кгс/см2;
средней прочности ор = 600-ь 1000 кгс/см2;
высокой прочности Ор > 1000 кгс/см2.
К пластическим массам низкой прочности можно отнести полиэтилен высокого и низкого давления, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, фторопласт, полиметилметакрилат, этрол, фенольные пресс-по-рошки, волокнит, фаолит, антегмит, полиарилат, аминопласты и другие; к пластическим массам средней прочности — капрон, полиамиды П-68; АК7 и П-12, капролон В, полиформальдегид, сополимер СФД, поликарбонат, стекловолокниты АГ-4В и ДСВ, пресс-порошок РСТ, премикс ПСК-1, асботекстолит, текстолит, гетинакс, ДСП и другие; к пластическим массам высокой прочности — стеклонаполненные полиамиды КПС-30 и П68С-30, стеклотекстолиты КАСТ-0,5, стекловолокнистый анизотропный материал СВ AM; стекловолокнит АГ-4С, намоточные стеклопластики, стеклопластики контактного формования и др.
Качественная оценка, методы переработки и области применения основных конструкционных пластмасс (табл. 6)
6. Основные конструкционные пластмассы
Пластмасса ГОСТ, ост, ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, РУб.
Полиэтилен вы- гост Термопласты Нейтральный ма- Литье под давле- Для несиловых де-
сокого давления 16337—70 * териал кристалли- нием. Центробежное талей Машинострое-
ПЭВД (низкой плотности): 15303-003 15602-008 15902-020 ческой структуры с низким водопоглоще-нием, стабилен во влажной среде, невысокие Показатели литье. Экструзия. Раздувка. Пневматическое, вакуумное формование. Штамповка. Механиче- ния типа пробок, заглушек, прокладок, пленочных изделий, труб, емкостей типа канистр, электроизо- 0,42 —
16802-070 *’ прочности, значи- ская обработка реза- ляционных материа- 0,47
17602-006 17702-010 17802-015 18002-030 тельное удлинение при растяжении, эластичный материал, стойкий к растрески- нием, сверлением, фрезерованием и т. д. Сварка при расплавлении горячим лов, защитных антикоррозионных и и декоративных покрытий 0,36 —
18102-035 18202-055 18302-120 Полиэтилен низ- ГОСТ ванию, хорошие диэлектрические показатели. Химически стоек к агрессивным средам и органическим растворителям за исключением бензина, бензола, хлороформа и четыреххлористого углерода, нетоксичен Нейтральный ма- воздухом. Прессование. Вихревое и другие виды напыления То же Для несиловых 0,38 0,43 — 0,45
кого давления ПЭНД (высокой плотности):. 20106-001 20206-002 16338—70 * териал кристаллической структуры, ббльшее содержание кристаллической фазы, выше плотность. деталей машиностроения, корпус- ных деталей приборостроения, труб, фитингов? емкостей,
Композиционные и неметаллические материалы
20306-005 20406-007 20506-007 20606-012 20706-016 20806-024 20906-040 21006-075
механическая прочность и теплостойкость, чем у ПЭВД, хорошие диэлектрические свойства. Химически стоек, более стоек к бензину, бензолу, хлороформу, чем ПЭВД
Полипропилен термостабилизированный 02П, 03П
ТУ 6-05-1105—73
Более жесткий материал, чем полиэтилен. Благодаря правильному расположению атомных
группировок относительно основной цепи (изотактическая структура) отличается повышенной прочностью по сравнению с ПЭНД, его теплостойкость также выше, но морозостойкость (температура хрупкости) ниже примерно в 5 раз, чем у полиэтилена. Химически стоек: концентрированная серная кислота (58%) и 30%-ная перекись водорода при комнатной температуре не оказывают заметного влияния. Подвержен более интенсивному старению, чем ПЭНД
электроизоляционных материалов, пленок, покрытий, деталей вентиляционных установок и насосов, гальваничееких моечных ванн 0,68— 0,815
То же, что для ПЭВД и ПЭНД, кроме сварки, которая осуществляется в струе инертного газа Трубы, фитинги, детали текстильного машиностроения (бобины, шпули и т. д.). Детали вентиляторов, стиральных машин, электроприборов. Пленки. Волокна 0,85
Пластические массы
8 СЛ
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ, ОСТ, ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основ ное назначение Цена за 1 кг, руб.
Поливинилхло- ГОСТ Аморфный мате- Для винипласта: Винипласт — для 0,48—0,5
рид суспензион- ный *« ПВХ-С-55, ПВХ-С-47 Полистирол: блочный и 14332—6$ * ГОСТ риал, подвержен термодеструкции при Т > 140* С. Для повышения стойкости против старения в него вводят стабилизаторы. Винипласт обладает высокой химической стойко- костью Более жесткий материал, чем ПЭВД, ПЭНД, с хорошими диэлектрическими свойствами, недостаток — хрупкость и низкая теплостойкость. Химически стоек. Для повышения ударной вязкости и теплостойкости используют сополимеризацию стирола с другими мономерами или совмещение его с каучуками. При введении в экструзия, ударное прессование, склеивание, сварка с применением горячего воздуха. Механическая обработка. Для пластиката ПВХ — экструзия, калан- дрование Литье под давле-. нием. Пневматиче- футеровки металлической аппаратуры, изготовления вентиляторов, воздуховодов, химических аппаратов, труб, фитингов. Пластикат ПВХ — для пленки, линолеума, изоляции проводов и кабелей, гибких трубок. Гидропласт — для заполнения полостей приспособлений в металлорежущих станках. На основе ПВХ изготавливаются пено- и поропласты Для корпусных деталей приборов, ра- 0,52— 0,59
эмульсионный суспензионный 9440 — 60 *, ТУ П-3—70 ское и вакуумное формование. Экструзия. Штамповка. Прессование. Склейка. Механическая обработка 1 диоэлектронной аппаратуры, различных изоляторов, в том числе и установок токов высокой частоты, крупногабаритных деталей холодильников, деталей внутренней отделки самолетов, вагонов. Пенополистирол — для тепло- и звукоизоляции в промышленности и, строительстве н /1
Композиционные и неметаллические материалы
Полистирол уда- ТУ полистирол порофо-ров и последующем вспенивании получают пенополистирол, отличающийся высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, плавучестью, химической стойкостью и водостой костью Более высокая То же Для технических 0,85
ропрочный УПМ-503, УПМ-508Э, УПМ-508Л, УПМ-612Л, УПС-1105 УПМ-ЗЛ, УПС-804, УПС-505, УПК-303 Сополимеры стирола СНП-1, СНП-2 6-05-1604—72 ГОСТ 13077—67 * ударная вязкость, чем у полистирола Более высокая механическая проч- ность и эластичность, чем у полистирола. Стойкие против термоокислительной деструкции Высокие механическая прочность и электроизоляционные свойства изделий, деталей холодильников и др. Для различных технических деталей 1,35
Литьевая масса на’ основе полистирола ПКН-Д5 ТУ 6-05-1522—72 Литье под давлением Для деталей высокочастотного оборудования —
Сополимеры сти- ГОСТ Высокие свето- и Литье под давле- Для прозрачных и 1,35
рола с метилметакрилатом МС 12271—66 * влагостойкость. Стойки к атмосферному старению, сравнительно низкая теплостойкость нием. Прямое прессование окрашенных технических деталей
Модифицирован- ТУ Высокая ударная Литье под давле- Для крупногаба-
ный полистироль-ный пластик АБС-1 6-05-1578 — 72 вязкость при низких и высоких температурах, повышенная н а гревостой кость, стойкость к щелочам, смазочным маслам нием. Экструзия. Раздувка ритных изделий в автомобилестроении и в электротехнике
Пластические массы
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ, ОСТ, ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, руб-
Фторопласт-4 ГОСТ 10007—72 Нейтральный материал кристаллической структуры. В зависимости от скорости охлаждения можно получать материал с различной кристалличностью. Совершенно не поглощает воду, стоек во влажной среде. Химически стоек ко всем кислотам и щелочам. Низкий коэффициент трения. Высокая теплостойкость. Хорошие диэлектриче- ские свойства, в том числе при высоких частотах тока. Низкие механические свойства. Отличается хладотекучестью (развитие деформации при небольших напряжениях и температуре). При нагреве выше 320° С начинает разлагаться с выделением токсичного фтора. Для повышения прочности применяют различные наполнители, в частности графитизированный уголь, коксовую муку, рубленое стеклянное волокно Механическая об* работка заготовок, которые прессуют при небольшой температуре (20—25* С), а затем спекают при 370* С в специальных печах. Склейка возможна только при специальной обработке поверхностей. Свариваемость неудовлетворительная. Применяют плун- жерную экструзию для изготовления толстостенных труб, стержней и профилей. Пленку изготавливают путем снятия широким резцом стружки с последующей калибровкой на прокатном стане Для прокладок, уплотнений, сильфонов, деталей химического машиностроения, подшипников скольжения, изоляционной пленки 4,5—9,0 (порошок)
i
Композиционные и неметаллические материалы
to
Фторопласт-4Д ГОСТ 14906—69 * Отличается от фторопласта-4 меньшей относительной молекулярной массой. Свойства те же, что у фторопласта-4. Более технологичен в переработке Путем смешивания порошка фтороплас-та-4Д смазывающими веществами получают пасты, из которых можно получать профильные изделия (трубки, стержни и ДР-)- Для шлангов специального назначения, для уплотнительного материала Довольно часто используется сус- пензия для покрытий 9—11,0
Фторопласт-3 ГОСТ 13744 — 68 Нейтральный материал кристаллической структуры. Свойства те же, что у фторопласта-4, за исключением пониженных диэлектрических показателей. Не может применяться в качестве диэлектриков на высоких частотах тока. Несколько уступает фторопласту-4 по химической стойкости Прессование. Литьевое прессование. Литье под давлением. Экструзия Главным образом в виде суспензий, предназначенных для нанесения антикоррозионных покрытий, а также деталей электротехнического назначения 10—12 (порошок)
Фторопласт-ЗМ ТУ 6-05-905—71 Более высокая рабочая температура, чем у фторопласта-3. Имеет разветвленную структуру, вследствие чего кристаллизуется очень медленно, поэтому свойства изделий практически не зависят от скорости охлаждения Прессование. Литьевое прессование. Литье под давлением. Экструзия Главным образом в виде суспензий, предназначенных для нанесения антикоррозионных покрытий
Пластические массы
i
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ, ОСТ, ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, руб.
Стекло органическое конструкционное СОЛ, СТ-1, 2-55 ГОСТ 15809—70 Пластифицированный (СОЛ) и непла-стифицированный (СТ-1) полимер метакриловой кислоты. Хорошая свето-прозрачность. Недостаток — поверхностное растрескивание (образование «серебра»). Сравнительно высокие механические свойства. Для повышения статической прочности изделий производят вытяжку стекол в высокоэластическом состоянии, в результате чего получается ориентированная структура макромолекул. Ориентированный материал отличается высокой пластич- ностью, большой сопротивляемостью растрескиванию, малой чувствитель- ностью к концентраторам напряжений, способностью выдерживать значительные деформации без разрушения Свободное литье с последующей вы- тяжкой. Пневматическое и вакуумное формование. Механическая обработка. Сварка. Склейка Для остекления машин и приборов, светопрозрачных корпусов и кожухов 3,06 (толщина 1 мм), 1,11 (толщина 20 мм)
Композиционные и неметаллические материалы
Полиметилмета- ТУ Сополимер метил- Литье под давле- Для деталей слож- 1,25
крилатный порошок Л-1 6-05-1344—71 метакрилата с метилакрилатом. Свето-прозрачность. Хорошие бензо- и масло-стойкость. Хрупок нием. Экструзия. Прессование ного профиля, радио-деталей и деталей, соприкасающихся с бензином и маслами
Полиметил мета-крилат литьевой ЛПТ МРТУ 6-05-871 — 66 Высокая светопро-зрачность, повышенная теплостойкость. Хрупок То же Для остекления приборов, изготов-вления линз и шкал —
Полиметилметакрилат литьевой ЛСОМ-1 ОСТ 6-01-67—72 Повышенные механические свойства, высокая светопроз-рачность, повышенная теплостойкость Для деталей различного технического назначения 1,32
Стекло органи- СТУ Сополимер метил- Свободное литье, Для остекления
ческое листовое Т-2-35 12-10-86—60 метакрилата с добавкой термостабилизирующего компонента. Повышенная теплостойкость пневмо- и вакуумное формование. Механическая обработка. Сварка. Склейка машин и приборов
Пластические массы
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ, ОСТ. ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, руб.
Капрон первичный А, Б, В ОСТ 6-06-14-70 Полярный кри- ' сталлический полиамид. Более высокие механические свойства, чем у ПЭНД, полипропилена и других термопластов. Хорошие антифрикционные свойства. Недостаток — большое водопогло-щение и, как следствие этого, нестабильность свойств и линейных размеров во влажной среде. Стоек к действию керосина, бензина, бензола, минеральных и органических масел, концентрированных щелочей и слабых кислот. Легко окисляется при нагревании. Низкий коэффициент теплопроводности. Более низкие электрические свойства, чем у полиэтилена Литье под давлением. Экструзия. Центробежное литье. Механическая обработка. Склейка. Сварка. Вихревое и другие виды напыления Для подшипников скольжения, сепараторов подшипников качения, зубчатых колес, корпусных деталей, лопаток вентиляторов. Для антифрикционных, антикоррозионных и декоративных покрытий 1,95
Полиамид П-68 ГОСТ 10589—73 * Меньшее водопо-глощение, более высокие стабильность свойств и предел текучести при растяжении, чем у капрона. Остальные свойства те же, что у каррона То же Для ответственных деталей — антифрикционных и конструкционных, требующих стабильности размеров и свойств 13,0
о ьо
Композиционные и неметаллические материалы
Полиамид АК7 МРТУ 6-05-1248—69 Более высокие механические свойства, чем у других полиамидов, водопоглоще-ние почти такое же, как у капрона То же То же, что у капрона 3,0
Полиамид П-12 ТУ 6-05-1309—72 Более низкие механические свойства, чем у капрона. Самое низкое водопоглоще-ние среди полиамидов 4,6
Капролон В МРТУ 6-05-988—66 Наиболее жесткий из всех полиамидов. Наибольший модуль упругости и наименьшее относительное удлинение при растяжении. Полимеризация материала осуществляется непосредственно в форме без давления, что позволяет получать заготовки любой массы. Материал удобен для проведения экспериментальных работ, так как опытную деталь можно изготовить из заготовки без дорогостоящей пресс-формы Свободное литье. Центробежное литье. Изделия изготавливают механической обработкой Толстостенные трубы. Подшипники скольжения. Шестерни 2,52
Капрон вторичный МРТУ 6-05-1441 — 71 Продукт переработки отходов капрона. Более низкие свойства, чем у капрона Те же, что капрона и для Для менее ответственных деталей, чем из капрона 1,48
Вторичный амид П-68 поли- ТУ 6-05-1451 — 71 Продукт переработки отходов смолы П-68. Более низкие свойства, чем у П-68 Те же, что капрона и для Для менее ответственных деталей, чем из П-68 1,2
Пластические массы
Продолжение табл, б
Пластмасса ГОСТ, ОСТ, ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, руб.
Полиамид 548 МРТУ 6-05-1032 — 66 Невысокая ударная вязкость, малый коэффициент тре- ния, стойкость к действию щелочей и углеводородов Литье под давлением. Клей представляет собой, как правило, спиртовый раствор. Пленки получают разливом на металлическую поверхность Для прокладочного материала, изготовления клеев, пленок, покрытий 4,7
Полиамид высо-конаполненный типа П-68Т40 ТУ П513 —6G Устойчив к воздействию щелочей, масел, жиров, углеводов. Хорошие антифрикционные свойства Литье под давлением Для конструкционных деталей 9,2
Полиамид П-68, наполненный тальком и графитом типа: П-68 Т5 П-68 Г5 ТУ П513 —66 ТУ П422 —65 Полиамиды с тальком и графитом обладают масло- щело-че-, бензоло-, бензи-ностой костью. Хорошие антифрикционные свойства 'Литье под давлением Для узлов трения с затрудненной смазкой —
Сополимеры: АК80/20 | АК85/15 J АК60/40 I АК50/50 ) МРТУ 6-05-1248—69 МРТУ 6-05-1032—66 Продукты поликонденсации соли АГ с е-капролактамом Литье под давлением Для вкладышей подшипников, шестерен, втулок и других деталей 4,2
Анид МРТУ 6-06-308—70 Хорошие физикомеханические свой- Литье под давлением Для конструк- ционных деталей со 2,3
614 Композиционные и неметаллические материалы
ства, теплостойкость и антифрикционные свойства, сравнительно низкое водо-поглощение
Полиформальдегид МРТУ 6-05-1018—66
Сополимер фор- ТУ
мальдегида с диок-саланом СФД 6-05-1543 — 72
Один из наиболее жестких полимерных материалов. Способен выдерживать сравнительно высокие температуры, более стабилен во влажной среде, чем полиамиды, превосходит последние по сопротивлению ползучести, хорошие
антифрикционные свойства, высокая
морозостойкость. Хорошие диэлектрические свойства. Высокая химическая стойкость. Недостаток — ограниченная термостойкость расплава, что вызывает трудности при переработке литьем под давлением
Свойства анало- То же
гичны свойствам полиформальдегида. Преимущество — лучшая технологич-' ность при переработ-
ке
Литье под давлением. Экструзия. Механическая обработка
стабильными размерами и повышенной теплостойкостью
Для втулок и вкладышей подшипни- ков скольжения, сепараторов, колец подшипников качения, тел качения. Для шестерен, седел клапанов, корпусных деталей электро-и бытовых приборов
То же, что и для полиформальдегида. Для вкладышей шарниров, рулевых тяг легковых автомобилей 3,0
Пластические массы
СЛ
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ. ОСТ. ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Пена за 1 кг, РУб
Поликарбонат (дифлон) ТУ 6-05-1668—74 Кристаллический полимер, отличающийся высокой теплостойкостью, морозостойкостью, низким ' водопоглоще-нием, отсутствием склонности к ползучести. Характеризуется низкой и равномерной усадкой, что позволяет получать изделия высокого класса точности. Высокие показатели электрических свойств. Устойчивость к водным растворам минеральных и органических кислот, к растворам минеральных солей и окисляющим агентам. Прозрачность
Дифлон СТН (25% стекловолокна) ТУ П672—69 Более высокие механические свойства, чем у дифлона
Дифлон КА ТУ П666—69 Материал модифицирован графитом. Повышенные антифрикционные свойства
Литье под давлением. Экструзия. Прессование. Механическая обработка Для изготовления корпусных деталей в электромашиностроении. деталей воздуходувок и холодильных машин, труб, вентилей 8,0
То же ' То же
Преимущественно для узлов трения —
Композиционные и неметаллические материалы
Стеклонаполнен- ГОСТ Высокие прочност- | 1 Лптье под давле- Для корпусных 1
ный капрон КПС-30 17648—72 ные свойства, превышающие свойства капрона в 2—3 раза, показатель пластичности в 25 раз ниже, чем у капрона, высокая теплостойкость, стабильность размеров изделий, малая усадка. Низкий коэффициент трения. Стекловолокно вводится при экструзии полимера нием. Механиче- ская обработка деталей автомобильной промышленности, приборостроения и радиоэлектроники (корпус топливного насоса, крыльчатка вентилятора, корпус фильтра масляного насоса автомобиля, крышка карбюратора, статоры и роторы турбобура и др.)
Стеклонаполненный полиамид П68С-30 ГОСТ 17648—72 Более низкое водо-поглощение, чем у КПС-30, остальные свойства близки к свойствам КПС-30. Стекловолокно вводится при экструзии То же Для наиболее ответственных деталей 11.8
Стеклонаполненный анид ТУ 6-11-209—71 Более высокие механические свойства и теплостойкость, чем у КПС-30 Для конструкционных деталей 3,43
Полиарилат Д-З ТУ НИИПМ П-467—66 Высокая термическая стойкость и повышенная морозостойкость Литье под давлением. Экструзия. Литьевое прессование Для ♦ антифрикционных деталей и изделий конструкционного назначения в машиностроении, приборостроении, электротехнической промышленности
Пентапласт А ТУ 6-05-1422—71 Высокомолекулярный простой полиэфир. Высокая химическая стойкость, большая стабиль- ность размеров । Литье под давлением. Экструзия. Прессование. Покрытие вихревым способом Для коррозионно-стойкой аппаратуры, клапанов, гибких шлангов, деталей точных приборов 49,0
Пластические массы
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ, ОСТ, ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, руб.
Полиуретан ПУ-1 ТУ В -189—70 Стоек к действию разбавленных минеральных кислот и щелочей, углеводородов, органических кислот, масел. Разрушается концентрированными минеральными кислотами Прямое, литьевое прессование Для деталей, работающих при температуре от —60 до 4-100° С —
Ацетилцеллюлоз-ный этрол 2ДТ-55 ТУ 6-05-1528—72 Материал легко окрашивается Более высокая жесткость, чем у полиэтилена. Невысокая теплостойкость Прессование мое и литьевое пря- Для деталей автомобилей (штурвалы, ручки, кнопки, приборные щитки) 2,3-2,6
Этилцеллюлозный этрол ТУ ПЗЗ —58 Хорошая водо- стойкость и электроизоляционные свойства Прессование мое и литьевое пря- Для деталей автомобилей (штурвалы, ручки, кнопки, приборные щитки) 3,1
Нитроцеллюлозный этрол ТУ ПЗ—68 Хорошие водо- и морозостойкость То же То же 0,9
Реактопласты
Стекловолокн и-стый анизотропный материал типа СВАМ-ЭР МРТУ 6-11-129—69 Высокие механические и электроизоляционные свойства, повышенная жест- Прессование Для конструкционных деталей в электротехнике, ра-пиотруийкр маши- 10,9
СТ) оо
Композиционные и неметаллические материалы
кость, хорошая стабильность. Изготавливается на основе элементарных стеклянных волокон, пропитанных эпоксидной, фенолофор-мальдегидной смолами или их смесями построении
Стекловолокнит АГ-4С ГОСТ 10087—62 ♦ Представляет собой однонаправленную ленту, получаемую на основе крученых стеклянных нитей и аналино-фе-нолформальдегидной смолы. Технологичность в изготовлении выше, чем у материала СВАМ То же То же 3,55
Стекловолокн ит АГ-4В ГОСТ 10087—62 ♦ Изготавливается на основе срезов первичной стеклонити и фенол ©формальдегидной смолы. Прочностные свойства ниже, чем у АГ-4С Прессование прямое и литьевое Для изделий ней прочности сред- 2,4
Прессматериал П-3-1 ТУ МБО.023.096 Модифицированная фенол ©формальдегидная смола, стекловолокно и другие добавки, повышенная ударная вязкость Прямое прессование Для деталей струкционного значения кон-на- —
Пластические массы
ст> о
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ, ост. ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, руб.
Прессматериалы П-50С, П-75С ТУ 84-81 — 69 Фенол ©формальдегидная смола, модифицированная полиамидами, в качестве наполнителя— стеклолента, высокие механические прочность и теплостойкость Прямое прессование Для конструкционных деталей, к которым предъявляются повышенные требования по прочности —
Прессматериал П-5-2 МРТУ 6-05-1041 — 71 Модифицированная кремнийоргани-ческая смола и стекловолокно, повы- шенные механическая прочность и теплостойкость То же Для конструкционных деталей, работающих при повышенной температуре —
Стеклопластик П-2-7с ТУ МТО.023.065 Получают на основе эпоксидной смолы и стеклоленты, повышенная механическая прочность Для конструк- ционных деталей повышенной прочности —
Прессматериал ПМ-67 ТУ П622—69 Получают на основе полиамидной смолы, хорошие механические свойства, стойкость к окислению, температура эксплуатации — 180-j- + 4-125° С Прямое, литьевое прессование Для конструк- ционных деталей и подшипников скольжения —
Композиционные и неметаллические материалы
Стеклоболокниты П-2-6В, П-2-6С ТУ МБО.023.099 Получают на основе эпоксидной смолы и стекловолокна или нетканой Стекло-ленты, механические свойства несколько ниже, чем у П-2-7С То же То же
П^ссмвтериалы П-2-5 ТУ МБО.023.084 ТУ МБО.023.112 Модифицированная эпоксидная смола и нетканая лента —
Прессматериал П-2-3 ТУ МБО.026.085 То же —
Прессматёриалы 33-18-В 33-18-С ВТУ МБО.023.040 Модифицированная эпоксидная смола и стекловолокно или нетканая стеклолен-та. Наряду с хорошими механическими свойствами стоек к кислотам, щелочам Прямое сование прес- Для ционных конструк-деталей —
Волокнит К-138-А ТУ П-44 — 55 Получают на основе кремнийоргани-ческой смолы, минерального наполнителя и других добавок, высокая теплостойкость и дугостойкость Прессование прямое и литьевое Для конструк- ционных и электроизоляционных деталей, работающих при нагревании до 300— 400° С —
Прессматериал № 176 ОПТУ 578—59 Получают на основе кремнийоргани-ческой смолы, органических, минеральных наполнителей и других добавок То же Для деталей общетехнического и электротехнического назначения, работающих при 300— 350° С —
Пластические массы
to
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ, ОС1\ ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, руб.
Стекловолокнит ДСВ-2-Р-2м ГОСТ 17478—72 Получается пропиткой первичных стеклянных нитей. После высушивания пропитанную нить рубят на отрезки определенной длины, в результате чего материал сыпуч. Более высокие механические свойства, чем у АГ-4В Прессование Для изделий сложной конфигурации с тонкими стенками 3,4
Пресспорошок РСТ МРТУ 6-05-1297—70 Продукт совмещения фенолоформаль-дегидных смол с мелко нарубленным стеклянным волокном Для конструк- ционных электротехнических деталей 1,2
Премикс ПСК-1 ТУ СП-31—66 Пастообразная композиция на основе смол контактного типа, рубленых стеклонитей и других наполнителей Прессование при небольших давле- ниях Для деталей различного назначения
Стеклотекстолит конструкционный марки КАСТ ГОСТ 10292—62 Слоистый стеклопластик на основе стеклотканей, пропитанных различными смолами, чаще всего фенол ©формальдегидными и ЭОДКСЛД'. Изделия изготавливают главным образом методом механической обработки Для перегородок в летательных аппаратах, различных электротехнических деталей 4,5 (толщиной 0,5 мм)
Композиционные и неметаллические материалы
Намоточные стеклопластики на основе: стекложгута МРТУ ными. Высокие механические и электроизоляционные свойства. Хорошая стабильность. Высокая теплостойкость. Низкое водопогло-щение Высокая удельная прочность, химическая стойкость, малая плотность Намотка Для высоконапорных труб, емкостей, оболочек 1.1
ЖС-1 (50%) полиэфирной смолы (50%) ПН-1 6-11-60—67 МРТУ 6-05-1082—67 0,95
или эпоксидных смол 3D-8 3D-10 ГОСТ 10587-72 • ГОСТ 10587—72 ♦ 4,1 4,2
Стеклопластики контактного формования на основе: стеклотканей (50%): ТСЖ-07 АСТТ (б) С8-Р полиэфирной смолы (50%) ПН-1 МРТУ 6-11-191—70 МРТУ 6-11-139 — 69 МРТУ 6-05-1082—67 Высокая проч- ность, малая плотность, хорошая антикоррозионная стойкость Контактное мование фор- Для силовых крупногабаритных деталей несерийного производства 0,87 0,97 0,95
или эпоксидных смол 3D-8 3D-10 ГОСТ 10587—72 ♦ ГОСТ 10587-72 ♦ 4,1 4,2
Пластические массы
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ, ОСТ. ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, РУб.
Текстолит конструкционный ПТ ГОСТ 5—72 ♦ Хорошие анти- фрикционные свойства, высокая прочность при сжатии, небольшое водопогло-щение. Изготавливают на основе хлопчатобумажной ткани и фенолоформальде-гидной смолы методом прессования. Хорошие электроизоляционные показатели Механическая работка об- Для подшипников скольжения, шестерен автомобильных двигателей, пишущих машин, текстильных машин. Для деталей электротехнического назначения 3,37 (толщиной 11 — 22 мм)
Текстолит металлургический марки Б ТУ М-82,7—60 Получен на основе хлопчатобумажной ткани бельтинг. Хорошие антикоррозионные свойства Механическая работка об- Для вкладышей подшипников прокатного стана —
Текстолит графитированный ТУ 6-05-031-486—72 Фрикционный материал То же Для деталей, работающих на трение 3,1
Текстолит гибкий прокладочный ТУ 6-05-1548—72 Высокая проч- ность при сжатии Механическая обработка, штамповка Для прокладок 13,4
Текстолитовые намоточные втулки и кольца ТУ МХП М613-55, ТУ МХП М1514 —51, ТУ МХП 2101 — 49 То же Механическая работка об- Для различных конструкционных деталей —
Текстолитовая крошка ГУ П-400—69 Более низкие механические свойства, чем у конструкционного текстолита Прямое прессование Для шестерен и других конструк- ционных деталей
to
Композиционные и неметаллические материалы
Асботекстолит Гетияакс листовой Массы прессовочные фенольные: общего назна- чения типа 01-040-02 специальные безаммиач-ные типа СП1-342-02 электроизоляционные типа Э2-330-02 водохимстой- кие типа ВХ1-090-34 ударопрочные типа У2-301-07 жаростойкие типа JK1-01-040 ТУб-05-898-71 ГОСТ 2718—74 ГОСТ 5689 — 73 Хорошие фрикционные свойства, высокая теплостойкость. Изготавлива-вают на основе асбестовой ткани, пропитанной фенолофор-мальдегидной смолой Хорошие электроизоляционные свойства Копозиции на основе фенол©альде- гидных смол различных наполнителей, отвердителей, красителей и смазывающих веществ. Низкая трудоемкость изготовления. Хорошие тепло- и электроизоляционные свойства То же Повышенные электроизоляционные свойства Пониженное водо-поглощение, повышенная ударная вязкость, стойки в кислых средах Высокая ударная вязкость Повышенная лостойкость Механическая обработка То же Прессование прямое и литьевое То же Прессование прямое и литьевое То же Для тормозных устройств, лопаток ротационных насосов, фрикционных дисков гидравлических передач Для электроизоляционных деталей Для ненагружен-ных деталей общетехнического назначения То же Для электроизоляционных деталей Для деталей с повышенной водо-и кислотостойкостью Для направляющих втулок, шестерен, кулачков и других деталей Для деталей электротехнического назначения 2,75 0,35 0,39 0,49 0,64 0,265
Пластические массы
Продолжение табл. 6
Пластмасса ГОСТ, ОСТ, ТУ Качественная оценка свойств, специфические особенности Методы переработки Основное назначение Цена за 1 кг, руб.
Материал прессовочный КФ-3 ТУ 6-05-1625—73 Фрикционный прессматериал с добавками асбеста, графита Прессование Для тормозных колодок подъемных кранов, вагонов 0,84
Ретинакс ГОСТ 10851-73 Фрикционный материал с добавками асбеста, барита и смазывающих ве- ществ То же —
Фаолит, отвержденный лист марки А МРТУ 6-05-1169 — 69 Кислотоупорная пластмасса на основе жидкой фенолофор-мальдегидной смолы и кислотостойкого наполнителя, выпускают в виде готовых изделий из отвержденного фаолита и в виде полуфабриката — сырых листов, прессмассы и замазок Формование без применения высокого давления Для крупногабаритных деталей химической аппаратуры, защитных покрытий 1,4
Антегмит ТУ 35-ХП-715 —64 Антифрикционный материал на основе фенолоформальде-гидной смолы и графитированных продуктов Прессование Для поршневых колец, сальниковых устройств, насосов, фильтров, деталей трубопроводов —
Композиционные и неметаллические материалы
Древесно-слоис- ГОСТ Композиционный Прессование. Из- Для подшипников
тые пластики ДСП-A, ДСП-Б 8697—58 *• материал на основе древесного шпона и фенолоформальдегид-ной смолы. Хорошие антифрикционные и прочностные свойства. Химически стоек делия получают механической обработкой скольжения в судостроении, на железнодорожном транспорте, для электроизоляционных деталей высокого напряжения, для деталей текстильных машин и общего машиностроения (зубчатые колеса, фрикционные шкивы, ступицы и т. д.). Для силовых обшивок, а также для деталей авиацион- ных конструкций
Аминопласт, прессопорошок А и Б ГОСТ 9359—73 Не имеет запаха, светостоек, может быть окрашен в любой цвет и абсолютно нетоксичен. Хорошие диэлектриче- ские свойства при минеральных наполнителях. Основные недостатки — склонность к растрескиванию при эксплуатации и высокое водо-поглощение Прессование Для электроарматуры, сигнальных кнопок, сухих выключателей высокого напряжения, дугогасительных камер 0,47
Применяют для изготовления деталей общетехнического назначения. •2 Стабилизированный ПВХ называют винипластом, пластифицированный ПВХ (30—40% пластификатора) — пластикатом, сильно пластифицированный ПВХ (70—80% пластификатора) — гидропластом.
Пластические массы
1 п « д * 2 * - s <=§ ~ » »>,? ----- -„„ё? % 5 s э a- g’isisl2ggS§sSn§ s s sgs* » » § a g 1 C,J > > •> > >я ® $ » s ® = ® Ц ® I О S J,E О О Ob“5 О О О О О ©2 2 g - 6 © Ь © ^5ян$нмоаЕ^= о <? <? ?2 § кэ ю к> ьэ ю £ н / 77 .*-, •“* О О ©$SO05®S—^ЯЮЬя,^,®©^ О О ©5"1® •“1 о о о о © = о » / ® КЗ 00 ро 00 £ тз ® ТЗ ® *О о со ~ Е 5 О © ® О Ь № Оо G0 © 5 О S ° Ь <i «1 Ф SoxoEo,jO»2 £ * Эь сл сл —2 © сл © © © ооа о 2 / EbEbsh^fa 4 .ь л S ® / . » » > 9 Пластмасса
0,92— 0,93 0,92— 0,93 0,92— 0,93 0,92— 0,93 0,92— 0,93 0,92— 0,93 0,95 0,95 0,95 0,9— 0,92 1,34— 1,39 1,38— 1,43 1,05— 1,08 i 1,05— 1,08 | 1,05— 1,06 1,05— 1,07 1,05— 1,07 1,05— 1,07 1,05— 1,07 1,05— 1,07 1,05— 1,07 Плотность, г/см3
140 90 140 ПО 100 70 220— 320 220— 320 220— 320 250— 400 300— 500 400— 600 350 350— 400 300 175 250 200 250 200 Разрушающее напряжение при растяжении Ор, кгс/см2
100 100 100 95 90 250— 260 220— 250-220— 230 Предел текучести при растяжении о , кгс/см2
w-*"* "М КЗ ЮМ СЛ сл© OqdOWOWOWO . . I I 1 1 1 о оо©кз© —©©осл© сл©сло 1 I гп 72 72 § ssigf °iei • • « « » с при статическом и зги- бе,1> °и Разрушающее напряжение, кгс/см2
’ Не разрушается То же Не разрушается 600 525—600 800— 1 000 1 000 1 000 1 000 — 1 - при ежа- ТИИ °р.С
2? © !^ © «©0»сл ®сл<»сл ю — КЗ ~ to ~ КЗ ~ КЗ го — © О О О , ©*^£сл СЛ сл СЛ у, сл щ сл сл сл сл СЛсл 111,11 g g О о 1ggig SgSg Sggggggggg gg : . z •! :i :i :i :i :i :i :i :i :i Модуль упругости при растяжении Е, кгс/см2
600 500 600 600 500 400 500— 800 400— 700 200— 220 [ 200— 800 25-400 10—50 1,5 1,5 1.5 25 25 20 15 12 Относительное удлинение при разрыве ер, %
Не ломается To же He ломается 33—80 100—150 До 150 20 22 40 40 40 30 35 Ударная вязкость а, кгс. см/см2 мопластичных пластмасс низкой прочности (табл. 7) массы низкой прочности
1,4 — 2,5 1,4— 2,5 1,4 — 2,5 1,4 — 2,5 1,4 — 2,5 1,4— 2,5 4,5— 5,8 4,5—* 5,8 4,5— 5,8 6,3 15—16 14—15 14—15 15 15 15 15 15 15 15 Твердость при заданной нагрузке /7, кгс/мм8
0,01 *4 0,01 ♦< 0,01 *4 0,01 “ 0,01 *4 0,01 *4 0,004 — 0,03 *4 0,004 — 0,03 *4 0,004 — 0,03 *4 0,5 *ft 0,4 — 0,6 0,2 0,2 0,3 Водопоглощение за 24 ч, %
105— 108 105— 108 105— 108 105— 108 105— 108 105— 108 120— 125 120— 125 120— 125 160 Температура плавления, °C
108— 110 108— ПО *• 108— ПО •• 108— ПО 108— ПО 108— 110 •• 120— 128 120— 128 •• 120— 128 160 *• 170— 190 70—90 100— 105 *’ 105— 108 *7 ПО *’ 75—80 75—80 75—80 75—80 75—80 75—80 Теплостойкость по Мартенсу, °C
~ ф фф ф ф 5° QO СО QO ОО QO 00 <£> QO 00 о ’ сл^сл^сл^сл^сл^сл^3 t-t — _ — — _ _ * * I * Q О О СЛ — СЛ — СЛ Н- СЛ — СЛ и— СЛ Н- Ч ? Ч ? 7 ? ? 55“ 1 s I i 1 Д? ИГ 1 : s : ?• Коэффициент линейного расширения, 1/°С
р р р о ОоОоОоО-| | | | I 1 1 1 1 1 1 1 1111 ЬЭ ] to ] to 1 «й. | Коэффициент теплопроводности, ккал/(м«ч«°С)
0,5— 0,68 0,5— 0,68 0,5— 0,68 0,5— 0,68 0,5— 0,68 0,5— 0,68 0,55 0,55 0,55 0,46 0,2— 0,63 0,32 0,32 0,32 Удельная теплоемкость, ккал/(кг-°С)
>11111 1 I Ис Ёя 1 1 Ёх 1 1 1 1 1 1 Ёх 1 1 1 1 1 1 11 ^сл-Т’^Ел £ £ £ 2 °°ф °ф 1 °л> ООп> о о О О ООф Морозостойкость (температура хрупкости) Т р, °C
О 5 сл д Д Д д -О Ч! V» ег« ? ? г ? ^«оо । * * * * ^2°i?5o 2 S 5 С С 2®о д д д д о о о о о§|ь§ й я я а я дЗ;® 5ь а в в a a a® g § § ааа §§“« ° £ £ i £ ^gSn?« д д д д д 䧫 799 Q £ СО to О W ° Л) 01 *• W •"* ° ° ° ? Н К • 2*2 4-0010 5 ’S *2 W СЛ 4- £ ?= §£3= = = 1 р> Пластмасса
1,05— 1,07 1,05— 1,07 1,05— 1,07 1,15 1,15 1,14 1,13 1,12 1,10 1,06 1,1 1.1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,12— 1,14 1,12— 1,14 1,12 — 1,14 1,12— 1,14 2,15— 2,35 2,2 Плотность, г/сма
270 250 180 440 425 400 325 300 300 265 350 330 400 400 210— 250 120— 200 Разрушающее напряжение при растяжении (Тр, кгс/см2
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 III Предел текучести' при растяжении а р, кгс/сма
1 000 950 900 800 650 600 1 200 750 700 650 600 650 400 950— 1000 1200 1100 1000— 1200 ПО— 140 при статическом изги-бе“, ан Разрушающее напряжение. кгс/см2
g 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 III при сжа-тии **’ стр.с
23 500 •» 21 000 *’ 21000 *а 20 000 *а 20 000 *а 19 000 *’ 31 000 *8 2 200 *8 23 000 *’ 4700— 8 500 *8 Модуль упругости при растяжении Е, кгс/см2
30 25 15 3 5—8 12—15 20—30. 30—50 50—70 1 1,2 — 1.5 1,2— 1,5 1,2— 1,5 1,2— 1.5 1,2— 1.5 1,2— 1.5 2,0 ‘ 2,5 250— 500 80— 300 Относительное удлинение при разрыве . «р- %
Композиционные и неметаллические материалы
25 22—25 24—30 40—50 50—55 70—75 80—100 20—22 — — 15,0 22,0 100 Ударная вязкость a, кгс*см/см2
15 15 15 15 13 12 10 9 8,5 16—17 10 10 10 10 '» 16—17 16—18 13—16 15—22 3—4 3-4 Твердость при заданной нагрузке Н, кгс/мм2
о о о о о о о Ъ Ъ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ° ° 001 1 1 1 1 1 1 Водопоглощение за 24 ч, %
I § 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 III Температура плавления, °C
75—80 75—80 75—80 74 74 74 73 72 70 100— 105 90—95 90—95 90—95 90—95 90—95 90-95 72—75 72—75 Теплостойкость по Мартенсу, °C
8- 10-5 8- 10”» 8- 10"» » 8,3- 10-» 8,3- 10-» 8,6- 10-» 9,5- 10"» 10,8- 10-» 9- Ю-» 7,5. 10-» (7—8). 10”» (6—8). 10-» Коэффициент линейного расширения, 1/°С
1 £ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 III Коэффициент теплопроводности, ккал/(м-ч-°С)
iSiiii i i i i i i i i i i i i i ill СЛ Удельная теплоемкость, ккал/(кг*°С)
— 60 — 60 — 60 — 60 -60 — 60 — (40— 50) — 269 Морозостойкость (температура хрупкости) Tvn,° С лр
Пластические массы
632
Композиционные и неметаллические материалы
Пластмасса Плотность, г/см8 Разрушающее напряжение при растяжении а , кгс/см2 Предел текучести при растяжении а , кгс/см2 Разрушающее напряжение, кгс/см8 Модуль упругости при растяжении Е, кгс/см2 Относительное удлинение при разрыве ер' %
при статическом изги-бе “• °и при сжатии *2, ар с
Фторопласт-3 2,09— 2,16 350— 400 — 600— 800 200—570 11 600— 14 500 •» 20—40
Фторопласт-ЗМ 2,02 230— 300 — 350 — 9 600— 11 500 150— 250
Полиметилмета- 1,2 420 910 840 21 000 1 — 15
крилатный порошок Л1 400 700
Пол и мети л метакрилат литье- иг-Ьв — 1200— 1400 — —
вой ЛПТ Этрол ацетил-целлюлозный:
2ДТ-43 1,4 500— 580 — 500 500—570 22 500 7—8
2ДТ-55 U4 500— 580 — 500 500—570 22 500 7—8
Д-30 1,32 500— 580 — 400 500—570 22 500 7—8
Этрол ацетобутиратцеллюлозный
АБЦЭ-12 1,15-1,23 175 — 450 300 •— 40—80
АБЦЭ-20 1,15— 1,23 175 — 350 — — 40-80
Этрол этилцеллюлозный 1,2 100— 140 — 340 140—200 22 000 50— 100
Этрол нитроцеллюлозный 1,8—2 250— 300 — 350— 400 140—210 18 GOO-28 000 25—50
Литьевой материал на основе ацетобутират-целлюлозы:
ЭЦ-12А 1,18 — 600 tert
ЭЦ-20А 1,18 — 600 te.
ЭЦ-40А 1,18 — 500
Полиуретан 1,21 500— 600 — 700— 800 — 50-150 50-60
Капрон вто-. ричный 1,1 — 1,2 350 — 450— 470 600 — —»
Вторичный 1,13 400 — 800 700—800 — 300
полиамид П-68 Полиамиды 700 3 400
548 1,12 350— 400 — 180— 190 350— 400
548/27 U12 350— 450 — 180— 190 700 —
54 1,12 500— 600 — 280— 300 750 5 600 350— 400
54/10 1,12 550-600 — 300— 350 750 300— 350
54/21 U12 300 — 300 700 — 250
Полиамид 12 1,14 — 1,15 500 — — — 100
! to © © to сл © 1 со о © Ю © Г to о 150—160 150—160 00 е to Г со © 40 БО 60 10—12 о ►— сл сл сл 4k. О 35 20-35 20 15—18 К X -й п сл 3 2? 20—160 Ударная вязкость а, кгс-см/см’
1- 4,5-5,0 4,8— 5.2 4,8— 5.2 со * ов со * 00 tO| 1 <-5 10 8 5 0,1 © © 3,7 4,5 © © 00 Ok 4k. © СЛ О м СО 00 ’10-13 Твердость при заданной нагрузке Н, кгс/мм2
0.25 1 1 1 1 1 1 1 0.4 0,4 0J © 00 о to © to ’to 0,4 0,4 0.5 1 1 1 © о о о © о Водопоглощение за 24 ч, %
1 1 1 1 150— 160 1 1 1111 1 170 150— 170 сл о 1 150— 170 150— 170 150— 170 1 1 208— 210 Температура плавления, °C
to 115 •’ 135 « 115 •’ се 87 •’ © е 180— 200 ♦’ 120 ♦’ 115 ♦’ 80 •’ 60 35—50 35—50 40—60 35—50 СЛ 4k. © © О 00 о 1 © сл Сл О © © о Теплостойкость по Мартенсу, °C
о 1 to о ч © со СВ со ч СВ со со 1 (13-13,5) X X 10“‘ "Ч © © © © © © ??????? О' «я «я * * * * м ш -* »* М to to ^’to Л о© *о * © 7 (8-12). 10-» 1 1 Коэффициент линейного расширения, 1/°С
0.23 1 0,24 1 1 1 1 1 2l 1 1 © О ©L-j to?1'i -1 1 0,19 0,17— 0,19 0,13 — 0.24 * 0,17— 0,14 — 0,18 0,14 — 0,18 0,14 — 0,18 0,28 1 1 о to Коэффициент теплопроводности, ккал/(М’Ч.°С)
1 1 I 1 1 1 1 i 1111 1 0,4 0,3-0,4 о со 1 0,3— 0,42 0,3— 0,42 0,3 — 0,42 1 1 1 0,22 Удельная теплоемкость, ккал/(кг-°С)
1 © I 4k. © I 4k. © 1 сл © 1 сл е 1 © © 1 ь 11 © 1 1 1 о 1 сл Ь I 1 1 1 сл © о £ © © 1 © © Морозостойкость (температура хрупкости) Т , °C лр
Пластические массы
634
Композиционные и неметаллические материалы
Пластмасса Плотность, г/см8 Разрушающее напряжение при растяжении <Jp, кгс/см Предел текучести при растяжении ст р’ кгс/см2 Разрушающее напряжение, кгс/см2 Модуль упругости при растяжении Е, кгс/см2 Относительное удлинение при разрыве .
при статическом изги-бе-, а„ при сжатии *2. Ор. с
Сополимеры 400— 500 400— 400
А К 60/40 1,12 — — — —
А К 50/50 1.12 — — 400
500 150—.
А К 80/20 1.13 600— 890— 830—860 —
700 900 200
А К 85/15 1.13 600— 890— 830—860 — 150—
700 900 200
Полиамид П68Т
высоконапол-
ненный П68Т-30 1,31 450— 530 600- — —» 750—800 — —
П68Т-40 1,35 900 650—740 — —
650
П68Т-60 1,52 450— — — —— — —
Полиамид 500
П68Т, П68Г, наполненный
тальком и
графитом П68-Т5 400 — 1100 800— 1 000 — —
П68-Т10 1,13— 400 — 950— 950— — —
1,15 1 000 1 000
П68-Т20 500— — 800— 950— — —
600 850 1 000
П68-Г5 500 — 900 — 4—6
П68-Г10 500 — 900 — — 4 — 6
Модифицированный поли-
стирол ьный
пластик 509 94
АБС-1 1,2 — —
АБС-2 1,2 424 — 133 38 40—808
АБС-3 1,2 389 —
АБС-4 Пентапласт А 1,2 1,4 428 400 — 650 850 12 б”оО *2
*i ГОСТ 4648—71 предусматривается установление разрушающего иг изгибе при заданной величине изгиба (0И. равной 1,5 толщины образца дл» изгибе (о„ для пластмасс, у которых нагрузка проходит через максиму» .. ГОСТ 4651-68 предусматривается установление разрушающего Hi заданной относительной деформации сжатия, равной 25%, по отношению к пл.
шающихся при сжатии.
’’ Модуль упругости пРи ИЗтГпрй 20» С.
* 4 Водопоглощение за 3U су* и с
* ь Водопоглощение за 60 сут Р
* в Теплостойкость по НИИШь
* ’ Теплостойкость по Вика.__________
Пластические массы
635
Продолжение табл. 7
Ударная вязкость а. кгс-см/см2 Твердость при заданной нагрузке Ht кгс/мм2 Водопоглощение за 24 ч, % Температура плавления, °C Теплостойкость по Мартенсу, °C Коэффициент линейного расширения, 1/°С Коэффициент теплопроводности, ккал/(м-ч-°С) Удельная теплоемкость, ккал (кг-°C) Мо розосто й кость (температура хрупкости) Т , °C хр
90—105 10—12 2,3 — 130— 140 *’ — — — —
90—105 10—12 2,3 — 130— 140 ♦’ — — — —
110—130 15—17 2,3 218— 224 50- 60 *7 — — - 1 —
110—130 15-17 2,3 218— 224 50— 60 *’ — — — —
20 14—17 — — 60—80 — — — —
15 15 — — 85 (4,5-4,8) X X Ю-ь — — —
100— 120 (3-3,5)- 10“ь — — —
90 15—18 2,5— 2,8 — 60—80 (10—20)- 10“ь 0,23 — — 20
50—80 15—18 2,5— 2,8 — 60—80 (10—20)- Ю“ь 0,23 — — 20
25—40 15—18 2,5— 2,8 — 60—80 (10—20)- 10“6 0,23 — — 20
40 15—18 2,5—2,Е — 60—80 (10—20)- 10“ь 0,23 — 20
40 15—18 2,5—2, £ 60-80 (10—20)- 10“ь 0,23 — — 20
18,5 0,2 76—95 (8—10)- 10—ь
18 0,2 76 — 95 (8—10)- 10-» —
27 0,2 — 76 — 95 (8-10)- 10-ь
14,5 0,2 76—95 (8—10)- 10-ь —
28 9-11 0.01*4 180 160— 170 *7 8- 10-ь — — —
пряжения при изгибе (ои) для разрушающихся пластмасс, напряжения при
пластмасс , не разрушающихся при изгибе, максимальное напряжение при
при заданной величине прогиба или до достижения этой величины.
пряжения при сжатии (о с) для разрушающихся пластмасс, напряжения при
Щади начального поперечного сечения образца (о2&) Для материалов» не разру-
636
Композиционные и неметаллические материалы
Изменение свойств термопластов низкой прочности под действием внешних факторов (рис. 8—11 и табл. 8—17)
-80-40 0 40 80 120
Температура,°C
Рис. 8. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении от температуры:
/ — полиэтилен ВД; 2 — полиэтилен НД с относительной молекулярной массой 30 000; 3 — полиэтилен НД с относительной молекулярной массой 350 000
Рис. 9. Зависимость относительного удлинения при разрыве от температуры:
/ — полиэтилен ВД; 2—полиэтилен НД с относительной молекулярной массой 30 000; 3 — полиэтилен НД с относительной молекулярной массой 350 000
8. Изменение свойств светостабилизированного полиэтилена 15802 — 020 при атмосферном старении в условиях Ленинграда
Показатель Без стабилизатора Со стабилизатором — сажа ДГ100
Исходные данные После старения в течение 1 года Исходные данные После старения в течение 1 года
Ор, кгс/см2 130 120 150 150
Ор с кгс/см2 95 ПО 95 НО
eD: % 560 60 550 80
тр , °C ухр’ — 70 — 35 — 70 —65
Значения модуля упругости при изгибе полиэтилена НД в зависимости от температуры приведены ниже:
Температура, °C — 120 -100 — 80 — 60 — 40
Модуль упругости при изгибе, кгс/см2 31 800 27 500 24 300 23 100 21 080
Температура, °C — 20 0 20 50 70
Модуль упругости при изгибе, кгс/см2 16 800 10 100 5 700 1 660 1 040
Пластические массы
637
9. Зависимость характеристик механических свойств винипласта от температуры
Рис. 10. Кривые ползучести винипласта при различных температурах (а = = 50 кгс/см2)
время, сут
Деформация
Рис. 11.
Кривые ползучести винипласта
при различных напряжениях:
а — при растяжении (комнатная температура); б — при сжатии (комнатная температура)
638
Композиционные и неметаллические материалы
10. Зависимость характеристик механических свойств блочного полистирола от температуры (в % к показателям при 20° С)
Характеристика Температура, ЪС
-70 —20 0 50 80 90
Разрушающее напряже- ние при растяжении, кгс/см2 107 105 95 80 60
Модуль упругости при растяжении, кгс/см2 . . . 100 107 105 97 93 84
Разрушающее напряжение при изгибе, кгс/см2 • . . 105 102 95 88 75
Ударная вязкость, кгс* см/см2 ... 105— 100— 100— 97—
115,5 104 102 98
11. Атмосферное старение полистирола и его сополимеров в условиях Ленинграда
Материал Исходные данные После старения в течение 1 года
а, КГС-СМ/СМ2 % кгс/см2 а, кгс* см/см2 аи, кгс/см2
Блочный ... 17 1001 2,8 728
Суспензионный . 23 1096 2,4 747
Эмульсионный . . Сополимер стирола: 22 1071 3,8 853
САМ 21,5 1123 3,4 642
МС 16 1058 13,6
МСН . . 26 1175 22,0
УПМ-503 . 43 Гибкий 1,3 318
12. Изменение свойств полистирола и его сополимеров при хранении в комнатных условиях
Материал Исходные данные После старения
а, кгс* см/см2 аи, кгс/см2 3 года 5 лет
а, кгс-см/см2 кгс/см2 а, кгс-см/см2 SU о *
Блочный .... Суспензионный • . Эмульсионный Сополимер стирола САМ 17 23 22 21,5 1000 1100 1070 1120 17 22,5 22 21 1000 1100 1070 1100 17 21 20 20,5 1000 1100 1100 1100
13. Изменение механических свойств полистирола и его сополимеров при тепловом старении при 60° С
Полимер Исходные данные Продолжительность старения, ч
а, кгс-см/см* ои, кгс/см* 500 1000 2000 3000
а кгс-см/см2 «* 2 S Ь а, кгс-см/см2 аи, кгс/см2 а, кгс-см/см’ (Уи, кгс/см* а, кгс-см/см2 аи, кгс/см*
Блочный 18,5 1000 16 970 15 960 15 940 17 950
Суспензионный 23,0 1040 24 1040 21 1030 23 1020 25 990
Эмульсионный 23,0 1000 23 1000 23 1030 — — 23 1040
Сополимер стирола: САМ 21,5-25 1120— 1400 24 1470 23-27 1 160—1540 19,5 1150 21 1120
МС 16 1060 — — 15 1025 18 1050 17 1040
МСН 26 1175 —* — 26 1180 23,5 1210 26 1160
Пластические массы 639
640
Композиционные и неметаллические материалы
14. Зависимость характеристик механических свойств _____________фторопласта-4 от температуры__________
Характеристика Температура, °C
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100* 120
V кгс/см2 незака- 350 325 300 200 180 135 115
ленного образца закален- 500 440 330 250 240 200 190
ного образца £
кгс/см2 (при
изгибе) незакаленного образца закален- 27 800 23 900 23 300 18 100 8 500 5 100 4 800 3 800 — 2 450
13 200 11 300 9 800 7 400 4 700 4 000 2 900 2 180 — 1 100
ного образца V % незака- 70 100 150 470 650 600 540
ленного образца закален- 100 160 190 400 500 500 480
ного образца
15. Зависимость деформации фторопласта-4 при сжатии от температуры
Деформация, % Нагрузка (кгс/см2), вызывающая деформацию при температурах (°C)
-50 | 0 1 25 50 | 100 | 150 200
1 203 157 62 49 31 17,5 И
2 304 210 92 66 39 27 20
3 350 236 105 77 48 33 27
4 374 251 120 85 59 39 31
5 390 262 127 92 62 44 35
16. Ползучесть фторопласта-4 при степени кристалличности 50%
___________________(lgeT= lgex+a IgT)____________________
Напряженное состояние Температура, °C Напряжение, кгс/см2 Деформация, % Коэффициент а
(е1) (М
Сжатие 20 33 6,00 6,25 0,03
20 21 3,05 3,19 0,032
Растяжение 40 28 2,72 2,87 0,038
100 28 5,58 5,90 0,040
» 140 21 4,67 4,94 0,042
» 200 14 4,08 4,50 0,048
» 250 14 5,17 5,58 0,055
П р и м е ч а н и я: 1. Условные обозначения : Ci — деформация
за 1 сут; е_ — деформация за 4 сут; т — продолжительность работы, сут.
2. Деформацию ех и коэффициент а для других условий нужно опре-
делить опытным путем.
2 1 Заказ 848
17. Зависимость характеристик механических свойств фторопласта-3 от температуры
Характеристика Температура, °C
—60 -40 —20 0 20 40 60 80 100
Ор (кгс/см’) закаленного образца 950 835 730 550 390 290 200 140 80
Е, кгс/см’ (при изгибе): незакаленного образца 26 600 22 700 19 700 17 000 14 500 10 800 8 100 2 780 1 750
закаленного образца 25 100 21 200 17 300 15 500 И 600 8 200 4 800 1 350 710
£р (%) закаленного образца 21 28 28 21 70 65 430 830 840
Физико-механические и теплофизические свойства термореактивных пластмасс низкой прочности (рис. 12 и табл. 18)
кгс/см2 ЬООО г
3500 -
3000-
2500 -
2000-
1500 -
1000 -
500 -
Рис. 12. Зависимость характеристик механических свойств массы прессовочной фенольной 03-010-02 от температуры:
Пр. с — разрушающее напряжение п&и сжатии; Ор —- разрушающее напряжение при растяжении; аи — разрушающее напряжение при статическом изгибе; а—ударная вязкость; Н — твердость при заданной нагрузке; Вр — относительное удлинение при разрыве
Пластические массы
642
Композиционные и неметаллические материалы
18. Термореактивные пласт
Пластмассы Плотностьi г/см8 Разрушающее напряжение, кгс/см2 Модуль упругости при растяжении Е, кгс/см2 Относительное удлинение при разры- ве е , % Ударная вязкость а, кгс-см/см8
при растяже- ИИ- °р при сжатии, ар.с при статическом изгибе, аи
Массы прессовочные фенольные: общего назначения 01-040-02 1,45 600 5,0
01-030-02 02-030-02 1,45 350 1 600 600 70 000— 0,6— 5?0
02-040-02 02-010-02 03-010-02 1.4 375 1 600 700 80 000 75 000— 0,8 0,6— 6,0
07-010-02 специальные безаммиачные: Сп 1-342-02 1.4 280 1 400 600 80 000 2 000 0,8 4,5 1,9
Сп 2-342-02 специальная безаммиачная с повышенными механическими свойствами Сп 3-342-02 1.4 1 600 600 5.0 2,9
электроизоляционные Э1-340-02 1,4— 240— 1 100— 600— 2 000— 0,6— 3,5—5.5
Э9-342-73 1,85 550 2 900 950 88 000 0,7 1,8—2,9
Э10-342-63 Э11-342-63 Э2-330-02 ЭЗ-340-65 ЭЗ-340-61 Э6-014-30 Э8-361-63 влагохим-стойкие ВХ 1-090-34 1.6 1 500 550 70 000— 4,5
ВХ 2-090-69 1.6 280 1 500— 550 90 000 70 000— 4,5 1 А
ВХ 2-090-68 ВХ 3-090-14 1.5 1 600 1 100— 600 175 000 56 000— 1| V 6,0
ВХ 4-080-34 1,75 1 700 350 184 000 — 8,0
1 is—LZ 30—38 1 30—40 30—60 ! I 25-30 25 — 30 I Твердость при заданной нагрузке Я, кгс/мм8
to о сл to о сл 10—55 сл сл сл сл сл сл о о о о Водопог лощение за 24 ч, мг
сл to сл to сл to сл 125— 250 со о со о со о tO СЛ to сл Теплостойкость по Мартенсу, °C
1 0,03 0,03 0,03 о о — со. 0,03 о О СО 0,03 0,03 1 Маслостойкость, %
I p о co 0,02 0,03 0,01 — 0,05 о о сл 0,05 0,05 0,05 1 Бензи ностойкость t %
1 1 T ДО + 110 От — 40 От — 60 ДО +220 1 1 ДО + 110 От — 50 1 1 Рабочая температура, °C
1 1 1 1 (1,9-5,3)- 10-» 1 1 (4,6— 5,3)- Ю-6 (4,5— 5,3)-10"» 1 Коэффициент линейного расширения.
1 1 1 1 0,18— 0,33 1 1 0,18— 0,2 0,18— 0,2 1 Коэффициент теплопроводности, ккал/(м-ч-°С)
1 1 1 1 0,35— 0,36 1 1 © ’со^ со I 0,32— 0,33 1 Удельная теплоемкость, ккал/(кг-°С)
1 1 сл о 1 © 1 сл О 1 о о 1 1 1 о о 1 о О 1 Мррозостой кость #
В данных для а в числителе — образцы без надреза
* Данные в Я f f | 3 I i 5 5 > л ° * ч «Л Я g 5 3 вЭ? S 7g“° й w й нч " So « “то О§ 5 i g gsl I sg§: § г 22 * 1 § g g g 5 О * g -X0) >х^я о -1 - s?o ii ‘ C CO X U c >r «J «J Z? g g g iw g 5 5 5 Пластмасса
1,46 1,9 1,74 1,8 — 1,85 1,7— 1,85 1,95 1,4 — 1,55 1,8 2,0 issues 1,3— 1,4 1,5— 1.6 Плотность, г/смг
. оэьослО tfO Mwa? , w 1 ooOo<=> о I I O© I МЮ© 1 о сл | о | о 1 ° | Оо 1g ° при растяжении, Р Разрушающее напряжение, кгс/см2
. 40»*°^ со *4 , "X© 00 ~ О~ Ojk СЛ 1 ©°22 © ° 1 2© ООООЮОСЛ оо о О| О© О о 1 °1 ооооо© ©о о 1 О | о 1 О | О | О| о при сжатии, ар. с
800 400 200 400 — 500 800 — 1 250 600 600— 800 500 150 800 500— 700 260— 600 600 при статическом изгибе, °и
Не менее 60 000 70 000— 90 000 1 — Модуль упругости при растяжении Et кгс/см2
III II II till 1 •’ 00 Относительное удлинение при разры-ве ер, %
9 3 1,6 2,75—3,5 21-34 10 5—6 20 2,5 2,0 Ударная вязкость а, кгс-см/см2
2
Композиционные и неметаллические материалы
знаменателе — образцы с надрезом (для масс прессовочных фенольных).
25 30 — 50 30-41 — 19,0 9-15 20 Твердость при заданной нагрузке Н, кгс/мм8
90 20 0,65 — 1 * 0,7 * 0,5 * 0,5 * Водопоглощение за 24 ч, мг
140 145 600 170 360 250 180 115— 125 100 НО Теплостойкость по Мартенсу, °C
0,03 0,015 — 0,03 0,4 — 0,7 0,05 — Маслостойкость, %
0,03 0,02— 0,04 0,05 Бен зи ностой кость, %
От -40 ДО 4-iio От -40 ДО + 120 Рабочая температура, °C
(3-3,5)-1(Г» 0,22 • 10-’ 0,85* 10“’ (0,94 — 2,5)- 10“’ 5,3- 19“’ 0,24-10“’ (3-3,5)-10“’ (2—3)-10“» Коэффициент линейного расширения, 1/°С
0,18— 0,20 90—120 30—35 0,45 0,1 — 0,27 0,22 — 0,25 0,25— 0,9 Коэффициент теплопроводности, ккал/(м-ч-°С)
0,3— 0,34 0,28 0,3— 0,4 Удельная теплоемкость, ккал/(кг°С)
III II 1 I 1111 1 1 Мррозостой кость,
& § S: £
к
§
СП сл
646
Композиционные и неметаллические материалы
Физико-механические и теплофизические свойства те
19. Термопластичные плас
Пластмасса Плотность, г/см* Разрушающее напряжение при растяжении о , кгс/см2 Предел текучести при растяжении ат , кгс/см2 Разрушающее напряжение, кгс/см2 Модуль упругости при растяжении £, кгс/см2 Относительное удлинение при разры-
при статическом изгибе, аи при сжатии, V с
Капрон первичный А, Б. В Полиамид П-68Н, П-68С Полиамид АК-7 Капролон В Анид Полиформальдегид стабилизированный А, Б, В Сополимер формальдегида СФД, СТД Поликарбонат (диф-лон) Дифлон CTH (25% стекловолокна) Дифлон КА (модифицирован графитом) Полиметилметакрилат литьевой ЛСОМ-1 ЛСОМ-2 Стекло органическое СОЛ СТ-1 2-55 Т-2-35 Полиарилат Д-З * Теплостойк ** Водопоглои 1,13— 1,15 1,13— 1,15 1,14 1,16 1,14 — 1,16 1,14 1,4— 1,41 1,2 1,2 1,2 1,12— 1,18 1,2— 1,8 1,2 1,19 1,2 1,2 1,2 ость по цение 3J 550— 700 500— 600 700— 730 900 — 950 700— 1 000 650— 700 580— 620 600— 700 900 670— 780 748 745 775 710 830 780 1 080 925 1 055 530 570 640 630 900— 1 000 800— 900 800— 900 1 200— 1 500 800 — 1 000 800— 1 100 800— 900 1 000— 1 100 1 000— 1 100 997 927 1 195 990 1 010 1 180 1 550 1 210 1 760 1 200 1 000— 2 000 850— 1 000 700— 900 700— 900 1 200 — 1 250 700— 1000 1 300 800— 900 800— 900 900— 1 200 8 000— 10 000 11 000— 12 000 11 000 — 12 000 20 600 — 23 100 42 000 25 000— 30 000 22 GOO-24 000 30 600 29 000 30 900 32 100 39 800 41 600 39 200 40 800 6 000 — 7 000 ! 100—. 1601 100 100 20 50— 100 20— 40 12— 30 20- 100 5 50 5,0 6,8 23,2 3,6 20,0 4,0 12,9 2,8 10,4
1 000 850— 900 Вика. 1 10 сут 3,3 10
Примечание. Всюду данные в числителе для ориентированного
оргстекла, в знаменателе — для неориентированного.
сл о 1 00 о 28,9 15,0 32 14,8 *-| со W СЭ 001 СЭ 25,5 13,0 16,7 18,9 120— 140 120— 140 30 00 о О | ое—оз 091 1 — 00i >— о № О °1 100— । 130 100— 1 120 Ударная Ьязкость а, кгс-см/см2
20-25 27,4 23,7 29,9 23,7 23,7 21,1 21,5 14,8 16,6 о 15—16 15-16 1 20-25 I 20 — 25 10—15 10—15 10—12 Твердость при заданной нагрузке Н, кгс/мм2
0,02 СЭ * * 2,4 ** * * 1 р р 1 1 Р 1 to 1 W с СЛ*СТ о ’ СЛ •1 сл СО со 1 1,5-5 В одопоглощение за 24 ч, %
260— 275 >230 180— 190 V 00 о 150— 160 1 1 1 170 235— 275 о> о 1 170 — 180 1 1 213 — 220 240 — 243 to to — — о °°| Температура плавления, °C
210* 1 1 1 1 СО СО 1 150 — 155 * 120— 130 tO О о сл СЛ 50 — 55 55— 60 60 Теплостойкость по Мартенсу, °C
1 СЛ о ч 0* р со 9 7,1 • 10~6 1 1 1 о 1 • 1 р 0* о ч о (10—12). 10-* (11 —12)- 10~ь (12—14)- 10-* Коэффициент линейного расширения, 1/°С
I 0,375 0,404 0,413 р со о о 1 I 1 0,28 I 0,35 I I- о г %‘г I Удельная теплоемкость, ккал/(кг-°С)
о о 1 1 1 1 1 1 1 1 i о 1 о о 1 о о 1 о г сл о 1 I о о I to о Мор озостой кость (температура хрупкости), °C
1 0,155 । 091‘0 0,156 0,158 I 1 1 0,17 1 р to 0,25 1 0,2—0,22 0,18-0,2 0,24 Коэффициент теплопроводности, ккал/(мч-сС)
мопластичных пластмасс средней прочности (табл. 19)
массы средней прочности
548
Композиционные и неметаллические материалы
Изменение свойств реактопластов низкой прочности под действием внешних факторов (рис. 13 и табл. 20)
и, а, би, кгс/мм2 кгс-см кзс/см2
е-io3, бр.с, е, бр, кгс/см1 KZC/CM2 °/о К2С/СМ2
см2
3,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
- 900
-800
- 700
600
500
400
300
Z00
Рис. 13. Зависимость характеристик механических свойств массы прессовочной фенольной У2-301-07 от температуры:
Е — модуль упругости, другие обозначения — см. рис. 12
20. Атмосферное старение массы прессовочной фенольной 03-010-02 в жарком сухом климате
Показатели Продолжительность старения, мео.
0 6 12 24 60
он» кгс/см’ 675 760 777 729 675
а, кгс‘см/см’ 4,8 4,7 6,4 5,4 4,8
И, кгс/мм’ • . 21,3 41,0 41,8 36,9 37,7
Изменение свойств термопластов средней прочности под влиянием внешних факторов (рис. 14—22 и табл. 21—30)
21. Изменение характеристик свойств полиамидов при старении в теплом влажном климате
Характеристика Продолжительность старения, мес.
0 1 3 6 12 0 1 3 6 12 0 1 3 6 12
Капрон Б АК-7 П-68
Ор, кгс/см* 762 654 402 324 309 802 610 433 155 337 585 502 201 172 240
ои, кгс/см2 1090 508 460 444 503 1092 520 438 289 456 790 579 396 293 473
а, кгс* см/см2 144 144 79 5,7 10,2 158 115 3,8 2,7 7,5 97 111 5,9 1,8 —.
®р. % 80 402 242 70 60 283 296 230 — 65 212 313 — — 5
Пластические массы
22. Изменение характеристик свойств полиамидов при тепловом старении
Характеристика Температура, °C Продолжительность старения, сут.
0 2 5 15 30 40 0 2 5 15 30 40 0 2 5 15 30
о_, кгс/см: 70 762 844 Kai 884 IpOH 748 710 802 760 Al 776 С-7 744 741 585 712 П-68 621 629 662
Р 100 762 836 884 847 713 802 850 822 800 788 585 723 626 632 597
140 762 —1 379 296 237 193 — 802 347 279 230 195 — 585 126 199 238 126
о
Продолжение табл. 22
Характеристика Температура, °C Продолжительность старения, сут.
0 2 5 15 30 40 0 2 5 15 30 40 0 2 6 15 30
Капрон АК-7 П-68
ои, кгс/см2 • • 70 1090 1343 1190 1128 — 1030 1092 1157 1172 1082 1195 1008 790 860 1307 1030 1000
100 1090 1320 1245 1150 ‘— 1160 1092 1062 1225 1223 — 1003 790 889 1407 1093 955
140 — 368 399 519 360 — 1092 425 426 417 344 — 790 494 613 272 330
% 70 80 52 33 74 20 — — 212 102 136 17 92
100 80 68 33 22 — 36 — — — — — — 212 110 18 9 2
140 80 4 2 5 2 — — — — — . — — 212 9 4 4 2
о, кгс-см/см2 70 144 148 164 154 153 141 157 97 113 97 111 121
100 144 144 154 24 — — 153 136 146 4,4 97 118 105 21,6 14,8
140 144 1,89 2,89 2,63 1,45 — — — — *— — — 97 3,9 2,5 2,0 2,0
Композиционные и неметаллические материалы
23. Изменение свойств полиамидов при световом старении
Характеристика Продолжительность старения, сут.
0 2 5 10 20 30 0 2 5 10 20 30 0 2 5 10 20 30
Ор, кгс/см2 . 762 Капр 672 он Б 799 652 717 802 788 AI 762 <-7 855 857 804 585 434 П 418 -68 317 333 297
ои, кгс/см2 . . 1090 1092 1273 1150 1265 1177 1092 1100 1292 1150 995 1127 790 855 882 866 916 870
а, кгс* см/см2 144 152 155 149 30 10 153 115 42 85 130 89 97 123 117 123 20,3 27
ер, % • • • • 80 62 117 131 146 — 75 180 4 4 4 4 212 33 5 2 2 2
Пластические массы
24. Изменение свойств полиамидов при старении в умеренно холодном климате
Характеристика Продолжительность старения, мес.
0 1 3 6 12 0 1 3 6 12 0 1 3 6 12
Капрон Б АК-7 П-68
Ор, кгс/см2 . 762 587 499 372 358 802 514 512 397 354 585 602 426 302 215
ои, кгс/см2 . 1090 622 465 475 438 1092 653 468 488 464 790 605 533 597 581
а, кгс* см/см2 . . 144 101 100 64,7 8,9 158 96 94 96 93,8 97 115 94,2 101 93,5
5>- % 80 229 280 160 198 283 262 250 100 205 212 256 143 — 16
о
сл
652
Композиционные и неметаллические материалы
25. Зависимость характеристик свойств поликарбоната (дифлон) от температуры
X ар а ктер кати ка Температура, °C
-54 -30 24 50 70 100 135
о_, кгс/см2 Е, кгс/см2 • . 980 28 000 868 26 250 662 24 500 553 21 000 476 390 280
26. Изменение характеристик свойств поликарбоната (дифлон) при тепловом старении
Характеристика Температура, °C Продолжительность старения, сут
0 5 10 20 30 90 120
Ор, кгс/см1 80 434 364 305 379 383 300 335
100 434 216 276 241 259 231 174
130 434 293 309 281 242 56,5 38
150 434 156 121 42,4 — *— —
27. Изменение характеристик свойств поликарбоната (дифлон) при световом старении
X аракте-ристика Продолжительность старения, сут
0 5 10 20 30 90
Ор, кгс/см2 434 303 289 266,8 281 178
28. Долговечность органических стекол
Характеристика Марка оргстекла
СОЛ СТ-1 2-55 Т-2-55
Ор, кгс/см2 -400 -380 -360 -370
Средняя долговечность при напряжении 100 кгс/см2, ч >3000 >1000 >1000 >1000
Температура, °C 60 80 100 100
29. Изменение характеристик свойств органических стекол (номинальной толщиной 10 мм) при ускоренном тепловом старении (в течение 5 ч)
Характеристика Ст-1 2-55 Т-2-55
Исходные данные После прогрева при 160° С Исходные данные После прогрева при 180° С Исходные данные После прогрева при 200° С 1 После прогрева при 230° С
Ор, кгс/см’ 892 814 995 1 000 1 014 1 030 605
вр» % 5,9 7,2 3,9 4,4 4,0 4,8 1.8
кгс «см/см’ . 13,2 14,8 14,6 17,9 15,5 18,2 9,6
Е, кгс/см’ . 30 400 30 700 37 800 37 200 36 900 38 000 36 100
Светопрозрачность, % 92,1 92,1 91,8 91,5 90,6 91,2 79,8
Температура размягчения, ®С . 121 115 138,5 128 135,5 125 121,5
Пластические массы
654
Композиционные и неметаллические материалы
30. Изменение характеристик свойств органических стекол (номи i
Характеристика СОЛ • СТ-1
0 2 4 10 15 0 2 3 5
Продолжительности
Ор, кгс/см2 746 675 587 589 860 741 719 760
711 692 627 — — — — —
°р. о’ кгс/см’ — _ j' _J
8р. % — 3,6 1,6 2,1 4,1 4,1 3,9 3,3
3,9 2,6 — — j
И, кгс/мм2 22,8 20 19,8 19,4 21,4 24,0 — 25,6 21,8
20,6 22,0 21,6 — —
Светопрозрачность, % 93,4 91,0 . 89,3 82,6 92,2 91 90,8 91,3
-93,2 91,9 90,2 — — — —
Температура размягче-ния, ®С * Листы органич ** За указанное i 91 91 95 97,5 93,0 116,0 ы верти ти листе 114 112 109
92,5 [еских зремя 90 стеко «сереС 95 л был >ро» н И 33KJ а пове эеплен рхнос [кальн эв обн о. аруже !но не
Примечание. В числителе — данные для листового материала 1 ч при 145° С (СТ-1) и при 165—170® С (2-55 и Т-2-55).
Пластические массы
655
нальной толщиной 100 мм) в процессе атмосферного старения *
СТ-1 2-55 Т-2-55
10 0 2 3 0 1 2 3 0 1 2
старения, год**
767 861 891 749 769 779 769 1075 883 802 858 678 771 990 698 401
1100 886
I — 1538 1468 1303 1315 1403 1350 1865 1738 1617 1592 1624 1573 2012 1750 1806
1824 1708
3,9 4.7 4,8 5,1 6,0 4,1 3,9 4,0 3,5 3,9 3,3 1,4 1.6 2,3 1,4 0,3
3,7 3,5
22 23,3 23,7 22,4 22,4 21,3 22,4 27,8 24,4 25,2 24,8 22,4 20,2 27,8 25,2 25,0
28,4 26,8
86,2 91,7 92 88,9 90 90,1 91 91,8 89,9 88,3 87,5 88,6 89,0 91 90,6 89,8
92 89,8
107,5 было. 116,5 116,0 110,0 115,5 111,0 111,5 137 127 122 121,5 117,5 136,5 127,5 126,0
136 123 123
в состоянии поставки, в знаменателе — для материала, прогретого в течение
656
Композиционные и неметаллические материалы
Рис. 14. Зависимость напряжения при изгибе полиамидов от температуры:
/ — П-68; 2 — капрон; 3 — АК-7
Рис. 16. Водопог лощение поли» амидов:
1 — АК-7; 2 —. капрон; 3 -П-68
Рис. 16. Зависимость напряжения Рис. 17. Зависимость характеристик
при изгибе полиамидов от време» механических свойств полиформальдегида
ни пребывания в воде: от температуры
/ — капрон; 2 — П-68
Пластические массы
657
О 2 4* 6 Время^ес
Рис. 19. Изменение характеристик механических свойств сополимера СФД при атмосферном старении в условиях Москвы:
Ор — разрушающее напряжение при растяжении; ои — напряжение при изгибе; 8р —• относительное удлинение при растяжении; а — ударная вязкость (шкалы слева направо: сг_; а', еп; а)
Р и Р
Рис. 20. Изменение характеристик механических свойств полифор* мальдегида при атмосферном старее нии в условиях Москвы (обозначен ния — см. рис. 19)
бр» £р* а, Ер,
.< 2С/смz ° /о кгс-см/смz кгс/см г
§ 0,вЬ5 & §а,оз5
« 0,025 I
§ 0,015
£
°,005 $ п
100 300 500 700 900
r 33 000 -3Z000 -31000 -зоооо -29000 -28000 ^-27000
Время, ч Степень вытяжки., %>
Рис. 21. Ползучесть поликарбоната при различных напряжениях:
1 — 39 кгс/см* при 100е С; 2 — 78 кгс/см* при 100° С; 3 — 228 кгс/см* при 25® С; 4—156 кгс/см* при 100е С; 5—195 кгс/см* при 100® С
Рис. 22. Зависимость характеристик механических свойств органических стекол от степени ориентации:
1 — разрушающее напряжение при растяжении ор; 2 — ударная вязкость а\ 3 — модуль упругости при растяжении Ер; 4 — относительное удлинение при разрыве 8р
По основе.
Теплостойкость по Вика.
□ О X? н н н н ja ja > q Я* Д □ д д о Д о Q^CO- SbO^O^n □ Zj s ° Co t-Н 4^ г о_со“Й2“2 52 — Ж =2 * к> ш 5 SS1- SS» = « ? ? P ’ CD = H H ьэ *3 s StlPbEH, W * -2 -s mobS^S-S b я’н-jO » 5 <5 , 1 1-тГ о 5 W W О □ 5 ™'U-® >E, •©* ^ Я 5H®]3o»,shi О ►-* >—1 * 25 H H • •—i a s та та сл > X3 -и П 'C • и > о о s ж Пластмасса Физико„-механические и теплофизические свойства тер 31. Термореактивные пластмассы
1,7- j 1,9 1 1,7— 1,85 1,7— 1,85 1,7— 1,85 1 1,7— 1,85 1,7— 1,85 1,7— 1,85 1,3— 1,4 1,3 — 1,4 1,3— 1,4 1,3— 1,4 1,3— 1,4 1,3— 1,4 1,68 — 1,8 1,39 — 1,42 Плотность, г/см®
900 * 500 * 800— 1 000 950 0» 00 о _ । Сл сл о , се , Оо 1 О О О III 1 g 1 о при растяжении ар, кгс/см» Разрушающее напряжение
1 g Ils о о 1 200 2 000 1 200 2 000 1 500 2 300 1 400 2 000 1 300 1 300 1 300 1 300 1 300 1 300 1 300 2 500 при сжатии стр. С’ кгс/см2
1 200 1 600 2 300 2 800 1 200 2 000 2 700 1 600 1 450 1 200 1 200 1 300 800— 1 400 1 400 I 600 при статическом изгибе а , кгс/см2
I | go | | 125 125 125 320 Сопротивление раскалыванию Sp, кгс/см
II II 1 1 0> СО О 1 О о о III III 1 ООО ООО Модуль упругости при растяжении Е, кгс/см2
II II II--- III III 1 Относительное удлинение при разрыве у %
пендикулярной к слоям, в знаменателе —• параллельно слоям.'
о о 30 30 13-15 1 сю сл сю сл сю сл -Ю СЛ сю о о сл оо а д о о сл сю о Ударная вязкость а9 кгс*см/см2
ю № КЗ to
ЬЭ 00 сл сл 1 о> 1 Твердость при за-
1 “Ч 1 1 1 1 1 сю КЗ 1 сю сл 1 сю СЛ 1 1 1 1 1 1 1 сю о данной нагрузке Н, кгс/мм2
о Водопоглощение за 24 ч, %
270— 290 ** 120 120 150 120 120 ГО сл КЗ сл 280 280 280 КЗ 00 о 280 280 to 00 о Теплостойкость по Мартенсу, °C
1 1 1 1 1 (3,3-4,1). 10“» сю СЮ 1 *• (3,3—4,1).10“6 1 1 1 1 1 1 ,-0Р(9‘1в1) 1 Коэффициент линейного расширения, 1/°С
1 1 1 1 1 КЗ 1 1 КЗ СО 0,2—0,29 0,2 — 0,29 1 1 1 1 1 1 0,39 Коэффициент теплопроводности, ккал/(м-ч-°С)
1 1 1 1 0,35— 0,36 0,35— 0,36 0,35— 0,36 1 1 1 1 1 1 1 Удельная теплоемкость, ккал/(кг-°С)
I о
мореактивных пластмасс средней прочности (табл. 31)
средней прочности
Морозостойкость, °C
660
Композиционные и неметаллические материалы
Изменение свойств термореактивных пластмасс средней прочности под влиянием внешних факторов (рис. 23 и табл. 32—33)
Рис. 23. Зависимость характеристик механических свойств текстолита от температуры:
Ср с — разрушающее напряжение при сжатии поперек слоев; Ор с — раз. рушающее напряжение при сжатии вдоль слоев (другие обозначения см. рис. 12)
32. Изменение характеристик свойств материала АГ-4В при тепловом старении
Характеристика Температура, °C Продолжительность старения, сут.
0 30 60 90 120 270 360
Ор, кгс/см* 60 962 785 639 791 747 924 885
90 962 740 746 — 1003 902 1031
120 962 804 832 891 729 770 872
1Б0 962 674 602 636 515 652 331
200 962 — — 386 — 49,7 46,5
Пластические массы
661
Продолжение табл. 32
Характеристика Температура, °C Продолжительность старения, сут.
0 ЗЮ 60 90 120 270 360
ои, кгс/см* 60 2138 1682 1512 1412 1388 1530 1622
90 2138 1456 1213 — 1050 902 1031
120 2138 1531 1230 1210 1286 2190 1953
150 2138 2089 1663 853 1264 2160 1946
200 2138 — — 779,6 — 157 127
а, кгс«см/см* 60 57,2 36,7 52,4 51,0 65,7 46,6 48,2
90 57,2 43,8 29,1 — 26,1 23,1 28,6
120 57,2 23,8 26,0 20,5 25,6 42,0 38,6
150 57,2 13,3 37,8 24,3 18,9 29,7 27,4
200 57,2 — — 32,5 — 36,8 30,0
Н, кгс/мм* 60 46,5 43,4 42,3 42,5 45,2 38,4 48,8
90 46,5 37,4 54,5 — 39,6 52,0 57,8
120 46,5 56,5 52,7 40,3 53,1 46,5 53,5
150 46,5 45,9 53,8 50,9 40,4 44,8 51,6
200 46,5 — — +4,4 — 9,2 10,1
33. Изменение характеристик свойств прессматериала АГ-4В при атмосферном старении
Характеристика Продолжительность старения, мео.
0 6 24 48 60
Ор, кгс/см* ои, кгс/см* а, кгс«см/см* Я, кгс/мм* 962 962 2138 2138 52,7 52,7 46,5 46,5 1606 42,5 41,3 645 1014 1002 1380 32,6 43,8 43,5 38,2 786 925 1590 835 23,0 42,0 42,4 40,5 722 820 854 1301 41,0 59,7 44,9 38,8
Примечание. В числителе — данные для умеренно кого климата, в знаменателе — для жаркого сухого климата. холод-
662
Композиционные и неметаллические материалы
Физико-механические и теплофизические свойства термопла (табл.
34. Термопластичные и термореактив
Пластмасса Плотность, г/см3 Разрушающее напряжение,' кгс/см2 Сопротивление раскалыванию S , кгс/см Модуль упругости при растяжении Et кгс/см2
при растяжении % при статическом изгибе ои при сжатии ар.с
Стеклонаполненный капрон КПС-30 Стеклонаполненный полиамид П68С-30 Стеклонаполненный анид Стекловолокнистый анизотропный материал: СВАМ-Р-2М СВАМ-БФ СВАМ-ЭН СВАМ-ТФЭ-Р СВАМ-ЭР Стекловолокнит: АТ-4С АГ Прессматериалы: П-50С П-75С Стеклопластик П-2-7С Стекловолокнит: П-2-6В П-2-6С Прессматериалы: П-2-1 П-2-5 Прессматериалы: 33-18-В 33-18-С Стеклотекстолит конструкционный: КАСТ КАСТ-В 1,3— 1,32 1,28— 1,3 1,40 1,8— 2,0 1,8— 2,0 1,8— 2,0 1.8- 2,0 1,8— 2,0 1,7— 1,9 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 1,9 1,9 1,9 1,85 1 300— 1 600 1 200— 1 400 1 490 3 500 3 500 4 500 3 500 4 500 б 000 2 000 2 500 9 DOO-12 500 9 Too 10 ООО-ll 000 10 000 9 000 3 300 * 2 100 3 200 * 2 000 2 100— 2 500 1 800— 2 200 2 100— 2 200 5 000 5 000 6 500 5 000 7 000 2 500 1 800 1 500 7000 — 8 000 1 500 5 000 6 500 2 000 6 000 1 500 1 100— 1 200 1 100— 1 200 1 280 4 500 (поперек слоев) 3 500 4 500 3 500 4 500 1 000 ** 2 000 3 000— 4 000 1 000 2 500 3 400— 3 500 4 000 1 500 1 100 ** 3 500 0 ** 150 Термо 71 000 64 000 Реакто 206 000 * 123 000 200 000 * ПО 000
I 0*1 -S’o 1I I 1 11 1 I Г 1 I I I т т пласты 1 о Г* со пласты 1 2,5 Относительное удлинение при разрыве ер, % ные пл; оо 2 11 СО S
to to О Е
। °5 rtJ00 о •чо с> сл сл* сл 00 оо 1 о 1 Ударная вяз- X
s ° о о 1 оо о сл оооо сл о о О' о 00 1 кость а. S
cl • °l * оо °| оо О | оо о о о о о о со ° о СО о кгс-см/см2 Е X
* 11 К> £ to о Твердость при я S
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 г 1 1 заданной нагруз- Е *о
W СЛ к> (О to ке Н, кгс/мм2 о я 2 Ф
о "О
to 1 11 о р р р о р 1 -° То Водопоглощение S« CD Р
1 GO 1 1 1 1 1 1 1 То сл сл сл СП о J СО сл СЛ | ’°° г за 24 ч, % я о Ж
л S 03 X
to to * 1 I to to to to to to со 18 2 25 2 to<o Теплостойкость S о
00 сл ° 1 ООО оо I 00 to оо 11 g 00 о о о сл о о о о сл о о о о о о ° 1 О I ОСЛ по Мартенсу* °C S Е
1 1 X
а
00 GO г о 1 о £ о X -В|1 2а Р О
о I 11 I 1 11 111 о I I 1 I I * S "-к 22. •Э* s*s О л> J В 3 Р
1, S 3 ® о
? 9 1 к О » « ° я о
и
Е
p 11 11 111 о Коэффициент теп- о Ф
To 1 1 1 СО 1 1 I I I I I I лопроводности , ж
* <0 ккал/(м-ч-°С) ф Х«
I 111 Удельная тепло- д
I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 J I I 1 емкость. "О
ккал/(кг-°С) ф
X
I 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 О 1 I 1 1 1 I о I Мор озостой кость, ф о
о о X
£
§
§
664
Композиционные и неметаллические материалы
Пластмасса Плотность, г/см\ Разрушающее напряжение, кгс/см2 Сопротивление раскалыванию S , кгс/см Модуль упругости при растяжении Е, кгс/см2
при растяжении °р при статическом изгибе ои при сжатии °р.с
КАСТ-Р Стеклотекстолит: ВФТ-С СКМ-1 СК-ФР Стеклотекстол иг электротех н иче-ский листовой: СТ СТ-1 СТЭФ СТЭФ-1 Асботекстолит: А Б Стеклопластики контактного формования на основе стеклоткани ТЖС-0,7 и полиэфирных смол Древесносложные пластики: ДСП-А ДСП-Б ДСП-Б-а ДСП-Б-Э ДСП-Б-М (короткие л исты) 1,85 1,85 1,77 1.8 1,6— 1,85 1,6— 1,85 1,6— 1,9 1,8— 1.9 1,7 1,7 1,6 2 800 * 1 700 4 000 * 2 490 1 600 * 3 200 * 1 600 700 • 750 • 1 750 • 2 000* 650— 1 190 650— 1 190 1 870 2 600 *** 2 200 3 000 *** 2 500 2 600 2 200 2 000 3 375 400 1 950 950 1 000 2 200 2 400 1 100 900 1 700 2 800 *** 2 600 2 800 *** 2 600 2 200 1 715 3 580 “ 1 260— 3 150 1 260— 3 150 960 ♦♦ 2 440 1 800 1 600 *** 1 550 1 850 *♦* 1 650 1 600 **♦ 1 550 1 300 190 130 250 300 300 150 150 *♦* - 140 160 *** 140 150 *** 140 Г25 217 000 * 140 000— 200 000 100 000 300 000 300 000 300 000
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Г 1 1 Относительное удлинение при разрыве ер, %
о оо 7С 6 101 8 6С 5 9С 6 2— 5-40 b 50 1! 3 2 К 8 8 8 Ударная вяз-
о о 1 ♦ О’ 5 * 5 1 • F । * О’ -35 -45 10 50 5 5 )1 0 0 0 кость Q, кгс-см/см8
to со
00 о Твердость при
1 сл 1 сл S 1 1 1 1 © 1 1 1 1 заданной нагруз-
СЛ сл ке Н, кгс/мм2
to I Водопог лощение
сл 1 III 1 143 10 1 1 1 1 1 1 1 1 за 24 ч* %
— — — , , , 7* — — — со ю кэ , Т епл остой кость
00 ОО о о 40 15 70 85 85 85 35 80 80 80 по Мартенсу, ГС
о ® р р р о >5
•. W со со со и Ь О
w I III П X W
' ° III <0 ООО । । । I । । । If* ^-Е х-9-
1 1 I I 1 I 1 I 1 1— I ? я
Т V Т <J 1 ап я х в О S
Ваш S а
5 ° I ? ? в ° X
1 «Я
о
Коэффициент теп-
I 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ь» 1 лопроводности.
1 (ккал/м«ч-°С)
о
© ю Удельная тепло-
! 1 III 1 1 1 1 1 1 1 1 1 »“ 1 емкость.
«л| ккал/(кг»°С)
I 1 III I 1 1 1 1 1 1 III 1 Морозостойкость
Пластические массы
666
Композиционные и неметаллические материалы
Пластмасса Плотность, г/см8 Разрушающее напряжение,' кгс/см2 Сопротивление раскалыванию S , кгс/см Модуль упругости при растяжении Е, кгс/см2
при растяжении ор при статическом изгибе о„ при сжатии ар.с
ДСП-Б-Т (короткие листы) ** fe— 110 и-»
ДСП-В | 1 400 1 800 *♦* 1 250 *** 140 *** 180 000
ДСП-В-Э J 1 100 1 500 1 200 130
ДСП-В-М (короткие листы) 1 300 1 400 1 000 125 fe-*
ДСП-Г (профиль) «9 1 500 1 250 140 180 000
ДСП-Г-М (профиль) few 840 1 000 125
* В числителе — данные по основе, в знаменателе — по утку.
** В числителе — данные вдоль слоев, в знаменателе — поперек слоев.
*** В числителе — данные для коротких листов, в знаменателе — для
35. Изменение массы (%) образцов из КПС-30 в различных средах при нормальной температуре
Среда Время, ч
24 240 3000
Бензин А-72 • . • 0,04 0,07 0,72
Бензин Б-70 . . . » Л Л 0,13 0,3 0,99
Дизельное топливо Л Л А 0,1 0,21 0,83
Веретенное масло * * * 0,03 0,2 0,49
36. Изменение массы образцов из КПС-30 в различных средах при повышенных температурах
Среда Температура, °C Время» ч Изменение массы, %
Бензин А-72 ... 80 10 0,13
Дизельное топливо . 80 ю 0,06
Веретенное масло 140 10 — 0,31
Машинное масло Су 140 10 — 0,1
Керамика и ситаллы
667
Продолжение табл. 34
Относительное удлинение при разрыве ер, % Ударная вязкость а, кгс-см/см2 Твердость при заданной нагрузке Н, кгс/мм2 Водопоглощен и е за 24 ч, % Т е плостой кость по Мартенсу, °C Коэффициент линейного расширения. Коэффициент теплопроводности , ккал/(м-ч-°С) Удельная теплоемкость, ккал/(кг-°С) Мррозостой кость,
70 — — 180 (0,3—0,4)- 10“» — — —
30 25 — 180 (0,3—0,4)- 10”» — — —
•— 25 — — 180 (0,3—0,4). 10“» — — —
— 30 — — 180 (0,3—0,4). 10-» — — —
— 17 — — 180 (0,3—0,4). 10“» — — —
длинных.
37. Изменение характеристик свойств смолы ЭД-6, отвержденной малеиновым ангидридом, при атмосферном старении
Характеристика Продолжительность старения, мес.
0 1 6 12 24
ои, кгс/см2 . . Н, кгс/мм2 . . 650 650 15,8 15,8 960 567 12,0 21,2 612 695 23,1 22,5 765 575 19,7 19,4 872 668 16,1 17,5
Примечание. В числителе — данные для умеренно холодного климата, в знаменателе — для теплого влажного климата.
КЕРАМИКА И СИТАЛЛЫ
Многие керамические материалы благодаря сочетанию ценных эксплуатационных свойств находят все большее применение в различных отраслях машиностроения. Некоторые современные керамические материалы отличаются высокой механической прочностью, которую сохраняют вплоть до температур порядка 1000—1500°С, высокой твердостью, малой истираемостью. Это определило применение некоторых
Композиционные и неметаллические материалы
разновидностей керамики в качестве конструкционного материала для изготовления металлорежущего инструмента, деталей, работающих на истирание при одновременном нагреве, например, фильер для протяжки проволоки и т. д.
Отличительная особенность керамики — хрупкость и соответственно низкий предел прочности при ударном изгибе. Это ограничивает возможности применения керамических изделий.
У керамических материалов, как правило, очень хорошая устойчивость к агрессивным химическим реагентам — кислотам, щелочам и другим активным веществам. Поэтому керамику, а также ситаллы и каменное литье широко применяют для изготовления или футеровки емкостей для химической обработки различных металлов. К химически стойкой керамике относятся фарфор, а также высокоглиноземистая керамика.
Керамика
Окисная керамика
Керамика из чистых окислов А12О3, MgO, ZrO2 (табл. 38) отличается очень высокой прочностью при сжимающих и изгибающих усилиях и сохраняет эту прочность до высоких температур. Керамику из окиси алюминия успешно применяют для изготовления металлорежущих резцов, фильер (валок) для протяжки проволоки.
Наиболее широкое распространение получила из окиси алюминия корундовая керамика, из которой изготавливают резцы, имеющие, как это видно из табл. 39, ряд преимуществ перед металлическими и твердосплавными резцами.
Резцы с пластинками из микролита (табл. 40) находят применение при обработке конструкционных и легированных сталей, различных чугунов и особенно цветных металлов, а также неметаллических материалов (графита, пластмасс, твердых пород дерева). Микролитовые пластинки по форме и размерам соответствуют твердосплавным пластинкам по ГОСТ 17163—71. По физико-техническим и механическим показателям они должны соответствовать ведомственным техническим условиям. Кроме стандартных пластинок по заказу могут быть изготовлены пластинки специальной формы, которые имеют несколько режущих лезвий.
Кроме режущего инструмента из микролита изготавливают волоки для протяжки проволоки и прутков из черных и цветных металлов, направляющих всех видов для прядильных, крутильных, мотальных и других подобных машин, а также сопла для пескоструйных и дробеструйных аппаратов, гидромониторных долот и других деталей, работающих на истирание.
Фарфор
Фарфор — традиционный и широко распространенный керамический материал, который находит применение во многих отраслях техники, в том числе и в машиностроении. В табл. 41 приведены основные свойства различных видов фарфора.
88. Важнейшие характеристики свойств окисной керамики
Характеристика Керамика из окислов
А]2Оя ZrO, MffO
Система кристаллов Гексагон Кубическая (стабилизированная) Кубическая
Плотность, г/см’ 3,99 5,60 3,60
Твердость по минералогической шкале 9 7 5—6
Температура плавления, °C 2050' 2700 2800
Средняя удельная теплоемкость, кал/(ч • °C) 0,260 (20—1000° С) 0,140 (20-1000° С) 0,233 (20° С) 0.276 (900° С)
Коэффициент теплопроводности (при условно нулевой пористости), кал/(см-с-°C) 0,0723 (100° С) 0,0218 (600° С) 0,0131 (1400° С) 0,00466 (100° С) 0,00501 (600° С) 0,00583 (1400° С) 0,0823 (100° С) 0,0263 (600° С) 0,0138 (1400° С)
Коэффициент термического расширения (средний линейный) a- 10е. 1/°С 8,4 (20—1000° С) 7.7 (70—1000° С) 13.5 (20—*1000° С)
Предел прочности, кгс/мм2: при сжатии 300 (20° С) 150 (400° С) 90 (1000° С) 10 (1500° С) 5 (1600° С) 210 (20° С) 120 (1000° С) 80 (1200° С) 13 (1400° С) 2 (1500° С) 140 (20° С) 150 (400° С) 115 (1000° С)
Керамика и ситаллы
Продолжение табл. 38
Характеристика Керамика из окислов
AljOa ZrOj MgO
при растяжении 26 (10° С) 14,85 (20° С) 9,85 (25° С)
24 (800° С) 11,25 (885° С) 10,70 (400° С)
13 (1200° С) 9,30 (1030° С) 11,25 (600° С)
3 (1400° С) 8,42 (1200° С) 10 (800° С)
1,1 (1460° С) 1,3 (1540° С) 5,63 (1200° С)
4,22 (1300° С)
при изгибе 15,2 (20° С) 23,3 (20° С) 11,0 (20° С)
9,5 (1000° С) 16 (1000° С) 10 (1000° С)
7,6 (1200° С) 12,2 (1200° С) 8,7 (1200° С)
6,1 (1350° С) 9,5 (1350° С) 7,5 (1350° С)
3,6 (1500° С) 7,2 (1500° С) 5,5 (1500° С)
1,7 (1600° С) 5,4 (1600° С) 4,0 (1600° С)
Микротвердость, кгс/мм’ 2000—3000 700—900
Модуль упругости £• 10е, кгс/см2 3,82 (20° С) 1,72 (20° С) 2,14 (25° С)
3,70 (400” С) 1,30 (465° С) 2,10 (400° С)
3,45 (800° С) 1,16 (850° С) 1,93 (800° С)
2,75 (1200° С) 1,07 (1225° С) 1,47 (1000е С)
1,50 (1500° С) 0,96 (1360° С) 0,7 (1200° С)
Термическая стойкость Хорошая Удовлетворительная Удовлетворительная
Композиционные и неметаллические материалы
Керамика и ситаллы
67)
39. Характеристики свойств разных инструментальных материалов
Характеристика Микролит (ЦМ-332) Твердый сплав Быстрорежущая сталь Р18
ПК8 Т15К6 Т60К6
HRA 92—93 88 90 91 83
Предел прочности, кгс/мм*: при изгибе До 45 130 ПО 90 370
при сжатии До 500 330 400 400 380
Красностойкость, предел температуры эксплуатации, °C 1200 850 850 900 600
Плотность кажущаяся, г/см* До 3,96 14,4 11,1 8 8,8
Теплопроводность кал/(см*с« ° С) 0,042 0,14 0,065 0,05
Коэффициент линейного расширения а* 107, 1/°С (20— 800° С) 85 60 50 — *-
40. Размеры (мм) режущих пластинок из микролита
№ пластины а ь 1 d h Масса, г
0109 14 10 5,5 2,6
0111 16 10 5,5 3,0
0113 18 12 7,0 — 5,1
0121 30 16 9,5 15,5
0203 10 8 3 0,8
0223 14 12 4,5 2,7
0225 14 12 6,0 3,5
0227 18 16 6,0 6,1
0229 18 16 8,0 7,8
0725-0726 15 9 5,0 9,0 1,7
0729-0730 20 11 6,0 11,0 2,3
0733-0734 25 14 8,0 14,0 3,5
1007-1008 12 8 4,5 8,0 — 1,7 ।
1011-1012 16 10 5,5 10,0 2,4 1
1015-1016 20 12 7,0 12,5 — 4,6 1
1305 5 15 5 — — — 1,0 |
1307 6 15 6 1,9
1309 8 18 7 2,9
1311 10 20 8 — —- 3,5
1207 35 28,6 10 14,0
1209 — — — 35 32,0 10 18,0
Химически стойкая керамика
Химически стойкая керамика (табл. 42) находит применение для изготовления или футеровки различных емкостей, в которых осуществляется химическая обработка металлов. Химически стойкая керамика отличается малой пористостью, полной непроницаемостью для жидкостей, достаточно большой механической прочностью, а также удовлетворительной термостойкостью. Химически стойкую керамику подразделяют на футеровочную, насадочную и аппаратурную.
672
Композиционные и неметаллические материалы
41. Важнейшие характеристики свойств фарфора
Характеристика Вид фарфора
Нормальный высоковольтный Кварц-полево-шпатный Глиноземистый
Плотность кажущаяся, г/сма .... 0 0 0
Водопоглощение, % Предел прочности при растяжении, кгс/мм': неглазурованный фарфор . . . 0 0 0
3,4 4,4 5,9
глазурованный фарфор . . . . Предел прочности при статическом 3,5-5,7 6,5 7,8
изгибе, кгс/мм* . ... 6—9 9 12,4
Предел прочности при динамическом изгибе неглазурованного фарфора, 7—10 11 15,5
кгс/мм* Удельное объемное сопротивление 0,017—0,020 0,020 0,032
при 20° С, Ом* см .... Ю1'— 10|а 5* 101а 6,7- 10х®
42. Характеристики основных свойств некоторых керамических химически стойких масс
Характеристика Вид керамики
Глиношамотная с грубозернистой структурой Глиношамотная с тонкозернистой структурой Фарфор
Плотность кажущаяся, г/сма Водопоглощение, % . . . Предел прочности, кгс/мм2: при сжатии при изгибе . . при растяжении Кислотостойкость, % Количество теплосмен при нагреве до 350° С и охлаждении при 20° С в во-де Коэффициент термического расширения а* 10’, 1/°С Коэффициент теплопроводности, ккал/(м* ° С* ч) 2—2,2 2-10 3-9 1 — 2 0,6—1 95—98 До 20 2,5—5,5 0,7—1 2,10—2,25 0,2—3 8-15 2,5—7 2,5-2,5 97 — 99,5 До 30 2,5—6,0 1,2—2,4 2,3—2,4 0-0,2 40—50 5,0—12,0 3,0—6,0 94,5—99,7 Более 15 4,0—6,0 1,4—1,6
Каменное литье
Каменное литье (табл. 43) — продукт плавки изверженных горных пород (базальт, диабаз и др.), механически прочный, химически стойкий и износоустойчивый материал. Каменное литье выпускают в виде изделий для футеровки емкостей, транспортировки агрессивных жидкостей и деталей химической аппаратуры.
Керамика и ситаллы
673
43. Свойства основных видов каменного литья
Характеристика Вид каменного литья
Кислотостойкое и износостойкое Термостойкое и износостойкое Кислотостойкое, износостойкое и термостойкое
Плотность кажущаяся, г/см’ « . . 2,9-3,0 2,9 2,9
Водопоглощение, % Твердость по минералогической шкале (Мооса) Предел прочности, кгс/мм2: До 0,1 7 До 0,15 До 0,1
при сжатии 37—45 33 33
при изгибе Коэффициент термического расшире- 5,8 —6,7 4,0 4,0
ния а- 1 О’, 1/°С Коэффициент теплопроводности, 53-71 45 47
ккал/(м« °С«ч) 0,7—1,0 1,4 0,92
Температура размягчения, °C 980—1000 1040 900
Модуль упругости £• 10е, кгс/см2 . . . Кислотостойкость, %, (ГОСТ 473—64): 0,9 0,45 —
в серной кислоте 99,9—99,8 96,1 99,9
в соляной кислоте • 97,8—99,7 73,8 99,6
Ситаллы
Ситаллы — неорганические материалы, получаемые путем направленной кристаллизации стекла.
Ситалловые изделия получают двумя способами: порошковым методом спекания и кристаллизацией изделий, отформованных методами стекольной технологии. Многие виды изделий из ситалла после их формования и кристаллизации подвергают соответствующей механической обработке для придания им точных геометрических размеров и фактуры поверхности.
Наиболее эффективный метод обработки си1аллов — шлифование их инструментом из естественных и синтетических алмазов. С помощью алмазных инструментов изделия из ситаллов могут быть обработаны до 10—12-го класса чистоты по ГОСТ 2789—73.
Ситаллы классифицируют по применению и содержанию основной кристаллической фазы.
В машиностроении и металлообработке наиболее перспективен класс износоустойчивых и химически устойчивых ситаллов, которые содержат в качестве основной кристаллической фазы кордиерит и пироксен.
Изделия из ситаллов разнообразных составов подчиняются ведомственным техническим условиям.
Детали из ситалла можно соединять между собой и с другими материалами, например, металлом или керамикой с помощью стеклокристаллического цемента или клеев и замазок на основе эпоксидной смолы и жидкого стекла. Соединения из стеклокристаллического цемента требуют термообработки при температурах 400—600°С. Эпоксидный
22
674
Композиционные и неметаллические материалы
клей после затвердевания при комнатной температуре или легком подогреве можно использовать при температуре до 180°С. Эпоксидный клей стоек к воде, кислотам и различным растворителям. Ситаллы с металлами можно соединять также путем металлизации и последующей пайки.
Нанесение покрытий осуществляется вжиганием пасты, испарением и конденсацией металла в вакууме, химическим осаждением металла, напылением.
В табл. 44 приведены важнейшие свойства некоторых износоустойчивых разновидностей ситаллов.
44. Характеристики основных физико-химических свойств некоторых классов ситаллов
Характеристика Класс ситаллов
Магнезиальные Пироксеновые
Плотность кажущаяся, г/см3 ... • Водопоглощение, % Удельная теплоемкость, ккал/(кг-°С) . . Коэффициент теплопроводности, ккал/(м- ч- °C) Температуропроводность, м2/ч Температура разрушения (термостойкость), °C Жаропрочность под нагрузкой, °C . . Предел прочности, кгс/мм2, при изгибе • Ударная вязкость, кгс« см/мм2 . Модуль упругости .... Коэффициент Пуассона .... Микротвердость, кгс/мм2 • . 2,5—2,85 0,02 0,17—0,22 0,8—1,8 (1,5-3,4)- 10"» До 1000 800—1200 14—18 45—105 9,9-13,2 0,25—0,34 700—970 2,8—2,95 0 200 1150 40 95 14 970—1050
СОРТАМЕНТ
Болванки, заготовки, прутки, профили
Болванка обжатая. Номинальные размеры .и допускаемые отклонения приведены в табл. 45.
Заготовка квадратная (ГОСТ 4693—57*). Номинальные размеры и допускаемые отклонения приведены в табл. 46.
Сталь кованая круглая и квадратная (ГОСТ 1133—71). Стандарт распространяется на кованую сталь круглого и квадратного сечения от 40 до 200 мм. Прутки поставляются длиной не менее: 1,5 м — при диаметре круга или стороне квадрата до 50 мм; 1,0 — при диаметре круга или стороне квадрата свыше 50 до 75 мм; 0,75 м — при диаметре круга или стороне квадрата свыше 75 мм. Номинальные размеры и предельные отклонения следующие.
Сортамент
675
Диаметр или сторона квадрата, мм Предельные отклонения, мм
40; 42; 45; 48; 50 +2,0
52; 55; 58; 60; 63; 65; 68; 70 + 2,5
73; 75; 78; 80; 83; 85 + 3.0
90; 95; 100; 105 . + 3,5
ПО; 115 + 4,0
120; 125; 130; 135; 140; 145 +4,5
150 + 5,0
155; 160; 165 + 6,0
170; 175; 180 + 7,0
185; 190; 195; 200 . + 8,0
Сталь горячекатаная круглого (ГОСТ 2590—71), квадратного (ГОСТ 2591—71) и шестигранного сечений (ГОСТ 2879—69). Номинальные размеры и допускаемые отклонения приведены соответственно в табл. 47, 48 и 49.
45. Номинальные размеры (мм) и предельные отклонения (мм) болванки обжатой
46. Номинальные размеры (мм) и предельные отклонения (мм) заготовки квадратной
Сторона квадрата Радиус закругления Допускаемые отклонения по стороне квадрата
140; (150); 160 20 ±5
(170); 180 25 ±5
190 25 ±6
200; (210) 30 ±6
220 35 ±6
(240); 250 35 ±7
(260); 280 40 ±8
300 45 ±8
320; 360 50 ±10
400; 450 60 ±10
Сторона квадрата Радиус закругления Допускаемые отклонения по стороне квадрата
40; 45; 50 7 + 1,0; -1,5
56; 60; 63; 70 9 + 1.3; — 2,0
75; 80; 85; 90 12 + 1,6; — 2,5
95; 100; 105 15 + 1,8; -3,0
НО; (115;); 120; 125 18 + 2,0; -3,5
130; 140; 150 21 + 2,4; — 4,0
160; 170; 180 25 + 3,0; -5,0
190; 200 30 + 4,0; -6,0
210; 220; 240; 250 35 + 5,0; — 7,0
676
Композиционные и неметаллические материалы
47. Сталь горячекатаная круглая
Диаметр, мм Предельные отклонения (мм) при точности прокатки
высокой повышенной обычной
б; 5,5; 6; 6,3; 6,5; 7; 8; 9 4-0,1 — 0,2 4-0,2 -0,5 4-0,3 — 0,5
От 10 до 19 через 1 мм 4-0,1 -0,3 4-0,1 -0,5 4-о,з -0,5
От 20 до 25 через 1 мм 4-0,2 -0,3 4-0,2 -0,5 4-0,4 -0,5
От 26 до 48 через 1 мм 4-0,2 -0,5 4-0,2 -0,7 4-0,4 — 0,7
50; 52; 53; 54; 55; 56; 58 4-0,2 -0,8 4-0,2 — 1,0 4-0,4 — 1,0
60; 62; 63; 65; 67; 68; 70; 72; 75; 78 4-0,3 — 0,9 4-0,3 — 1,1 ±?:?
80; 82; 85; 90; 95 +?:? 4-о,з -1,3 4-0,5 — 1,3
100; 105; ПО; 115 — 4-0,4 — 1,7 4-0,6 -1,7
120; 125; 130; 135 4-0,6 -2,0 4-0,8 -2,0
От 160 до 200 через 10 мм — — 4-0,9 -2,5
От 210 до 250 через 10 мм — — 4-1.2 -3,0
48. Сталь горячекатаная квадратная
Сторона квадрата, мм Предельные отклонения (мм) при точности прокатки
высокой повышен* ной обычной
От 5 до 9 через 1 мм 4-0,1 -0,2 4-0,2 -0,5 4-о,з — 0,5
От 10 до 19 через 1 мм 4-0,1 -0,3 4-0,1 -0,5 4-о,з -0,5
От 20 до 25 через 1 мм 4-0,2 -0,3 4-0,2 -0,5 4-0,4 -0,5
От 26 до 48 через 1 мм 4-0,2 -0,5 4-0,2 -0,7 4-0,4 -0,7
50; 52; 55; 58 4-0,2 -0.8 4-0,2 — 1,0 4-0,4 -1,0
60; 63; 65; 70; 75 4-0,3 -0,9 4-о,з — 1,1 ±?:? 4-0,5 — 1,3
80; 85; 90; 93; 95 4-0,3 -1,1 4-о,з — 1,3
100; 105; ПО; 115 — 4-0,4 -1,7 4-0,6 — 1,7
От 120 до 150 через 5 мм — 4-0,6 — 2,0 4-0.8 — 2,0
От 160 до 200 через 10 мм — 4-0,9 — 2.5
Сортамент
677
49. Сталь горячекатаная шестигранная
Диаметр вписанного круга, мм Предельные отклонения по размеру (мм) при точности прокатки Диаметр вписанного круга, мм Предельные отклонения по размеру (мм), при точности прокатки
обычной повышенной обычной повышенной
8; 9 10; И; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19 20; 21; 22; 24; 25 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48 4-0,3 — 0,5 4-0.3 — 0,5 4-0,4 — 0,5 4-0,4 -0,7 4-0,1 -0,3 4-0,2 -0,3 4-0,2 — 0,4 4-0,2 — 0,6 50; 52; 55 60; 63; 65; 70; 75 80; 85; 90; 95 100 4-0,4 -1,0 ±?:? 4-0,5 -1.3 4-0,6 — 1,7 4-0,2 -0,9 4-0,3 -1,0 4-0,4 -1,2 4-0,5 -1,5
Примечания: 1. По требованию потребителя поставляют шестигранную сталь следующих размеров: 23; 27; 29; 41; 43; 44; 46; 53; 57 и 67 мм с предельными отклонениями, указанными в таблице по ближайшему меньшему размеру. 2. По соглашению сторон шестигранную сталь поставляют размером более 100 мм.
Сортамент и точность калиброванной круглой, квадратной и шестигранной стали приведен в табл. 50.
50. Калиброванная круглая, квадратная и шестигранная сталь
Номинальный размер (ГОСТ 7417-57), мм Допускаемые отклонения ( — при классе точности ), мм. Номинальный размер а (ГОСТ 8559—57 *) или d (ГОСТ 8560-67), мм
2а 3 За 4 б
3,0 3,1—6,0 6,1 — 10,0 10,2-13,0 13,5—18,0 16,5-30,0 31,0-50,0 52,0-65,0 67,0—80,0 82,0-100,0 0,014 0,018 0,022 0,027 0,027 0,033 —4 ««А 0,02 0,025 0,03 0,035 0.035 0,045 0,05 0,06 0,04 0,048 0,058 0,07 0,07 0,084 0,10 0,12 0,06 0,08 0,10 0,12 0,12 0,14 0,17 0,20 0,20 0,23 0,12 0,16 0,20 0,24 0,24 0,28 0,34 0,40 0,40 0,46 3,0 3,2; 4;4,5; 5; 5,5; 6,0 6,3; 7; 8; 9; 10 И; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18 И; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18 19; 20; 21; 22; 24; 25; 26; 27; 28; 30 32; 34; 36; 38; 40; 41; 42; 45; 46; 48; 50 53; 55; 56; 60; 63; 65 70; 75; 80 85; 90; 95; 100
Примечание. Обозначения: а — сторона квадратной стали; d — диаметр круглой стали или диаметр круга, вписанного в шестиугольник для шестигранной стали.
678
Композиционные и неметаллические материалы
Сталь круглая со специальной отделкой поверхности — серебрянка (ГОСТ 14955—69). Стандарт распространяется на круглую холоднотянутую сталь со специальной отделкой поверхности (шлифованную, полированную и т. п.) — серебрянку
Существуют следующие группы отделки поверхности: А — полированная с шероховатостью поверхности не ниже 9-го класса; Б — шлифованная и полированная с шероховатостью не ниже 8-го класса; В — шлифованная и полированная с шероховатостью не ниже 7-го класса; Г — шлифованная с шероховатостью поверхности не ниже 6-го класса; Д — шлифованная или ободранная в процессе изготовления (шероховатость поверхности не проверяется).
Диаметр серебрянки и предельные отклонения приведены в табл. 51. Серебрянку диаметром от 0,2 до 0,6 мм поставляют в мотках или катушках, диаметром от 0,6 до 30 мм в прутках длиной от 1,0 до 3,5 м в зависимости от диаметра.
61. Диаметр и предельные отклонения по диаметру серебрянки
Диаметр, мм Предельные отклонения (—-), мм, при классе точности
2 2а 3 За 4
От 0,2 до 0,3 через 0,05 От 0,35 до 0,6 через 0,05 От 0,65 до 0,95 через 0,06 От 1 до 2,15 через 0,05 От 2,2 до 3,0 через 0,05 От 3,1 до 6,0 через 0,1 От 6,1 до 10 через 0,1 От 10,25 до 14,0 через 6,25; 14,5-от 15 до 18 через 1,0 18,5; 19,0; 19,5; от 20,0 до 30,0 через 1,0 0.005 0,06 0,07 0,01 0,01 0,013 0,016 0.023 0,008 0,010 0,012 0,014 0,014 0,018 0,022 0,027 0,033 0,013 0,015 0,018 0,02 0,02 0,025 0,03 0,35 0,045 0,020 0,025 0,03 0,04 0,04 0,048 0,058 0,07 0,084 0,06 0,06 0.080 0,10 0,12 0,14
Прутки из бериллиевой бронзы (ГОСТ 15835—70). Стандарт распространяется на тянутые круглые, квадратные, шестигранные прутки и круглые прессованные прутки.
Номинальные диаметры круглых тянутых прутков и номинальные диаметры вписанной окружности квадратных и шестигранных прутков и предельные отклонения по ним приведены в табл. 52. Диаметры прессованных прутков и предельные отклонения по ним следующие:
Диаметр, м
42,0; 45,0; 48,0; 50,0 . . . .
55,0; 60,0; 65,0; 70,0; 75,0; 80,0 85,0; 90,0: 95,0; 100,0
Предельное отклонение, мм
—2,0 — 2,4 —2,8
Прутки изготовляют немерной длины, тянутые — от 1,5 до 4 м; прессованные диаметром 42—75 мм — от 1,0 до 2,5 м; прессованные диаметром 80—100 мм — от 0,7 до 2,0 м.
Сортамент
679
62. Прутки из бериллиевой бронзы тянутые
Номинальный диаметр, мм Предельные отклонения для прутков (—), мм
круглых квадратных и шестигранных
Класс точности
4 5 4 1 5
6,0 5,5 6,0 0,048 0,08 0,16 0,08 0,08 0,16 0,16
6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9.0 9,5 10,0 0,058 0,10 0,20 0,10 0,10 0,10 0,10 0,20 0,20 0,20 0,20
10,5 11,0 11,5 12,0 13,0 14,0 15,0 16 17 18 19,0 20,0 21,0 22,0 23,0 24,0 25,0 26.9 27,0 28,0 30,0 32,0 35,0 36,0 38,0 40,0 0,07 0,12 0,24 0,12 0,12 0,12 0,24 0,24 0~24
0,12 0,24
0,14 0,28 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28
0,17 0,34 0,17 0,17 0,17 0,34 0,34 0,34
Сталь прокатная угловая равнополочная (ГОСТ 8509—72). Профили поставляют с шириной полок от 20 до 250 мм, толщиной полок от 3 до 30 мм. Профили изготовляют длиной от 4 до 13 м (по согласованию сторон допускается изготовление профилей свыше 13 м).
Сталь прокатная угловая неравнополочная (ГОСТ 8510—72). Профили выпускают с шириной большой полки от 25 до 250 мм, шириной малой полки от 16 до 160 мм, толщиной полок от 3 до 20 мм. Профили изготовляются длиной от 4 до 13 м.
Сталь горячекатаная. Швеллеры (ГОСТ 8240—72). Стандарт распространяется на швеллеры с уклонами внутренних граней полок и швеллеры с параллельными гранями полок. Швеллеры изготовляют высотой
680
Композиционные и неметаллические материалы
от 50 до 400 мм, с шириной полки от 32 до 115 мм, с толщиной стенки от 4,4 до 8,0 мм. Швеллеры изготовляют длиной от 4 до 13 м (по согласованию сторон допускается изготовление профиля длиной свыше 13 м).
Сталь горячекатаная. Балки двутавровые (ГОСТ 8239—72). Балки изготовляют высотой от 100 до 600 мм, с шириной полки от 55 до 190 мм, с толщиной стенки от 4,5 до 12 мм. Балки поставляют длиной от 4 до 13 м (по согласованию сторон допускается изготовлять балки длиной свыше 13 м).
Сталь холодногнутая угловая равнобокая и неравнобокая (ГОСТ 8276—63*). Стандарт распространяется на холодногнутую сталь, изготовленную на профилегибочных станах. Равнобокие профили из углеродистой ^тали изготовляют с шириной полок от 16 до 220 мм, толщиной полок от 1,0 до 10 мм. Неравнобокие профили изготовляют из углеродистой стали с шириной большой полки от 25 до 220 мм, шириной малой полки от 20 до 180 мм, толщиной полок от 1,5 до 10 мм.
Равнобокие профили из низколегированной стали поставляют с шириной полок от 16 до 200 мм, толщиной полок от 1,0 до 10 мм. Неравнобокие профили из низколегированной стали изготовляют с шириной большой полки от 25 до 220 мм, шириной малой полки от 20 до 180 мм, толщиной полок от 1,5 до 10 мм.
Профили поставляют длиной от 4 до 12 мм.
Уголки стальные гнутые неравнополочные (ГОСТ 19772—74). Стандарт распространяется на неравнополочные уголки, изготовляемые на профилегибочных станках из холоднокатаной и горячекатаной стали обыкновенного качества, углеродистой качественной конструкционной и низколегированной. Уголки изготовляют с шириной большой полки от 25 до 160 мм, с шириной меньшей полки от 20 до 125 мм, с толщиной полок от 1,5 до 8,0 мм. Профили изготовляют длиной от 4 до 12 м.
Сталь холодногнутая. Швеллеры (ГОСТ 8278—75). Стандарт распространяется на швеллеры, изготовляемые на профилегибочных станках. Швеллеры изготовляют высотой от 30 до 400 мм с шириной полок от 10 до 200 мм, с толщиной профиля от 1 до 10 мм. Швеллеры поставляются длиной от 4 до 12 м.
Сталь холодыогнутая. Швеллеры неравнополочные (ГОСТ 8281—69). Стандарт распространяется на неравнополочные швеллеры, изготовляемые методом профилирования на профилегибочных станках. Швеллеры изготовляются высотой от 16 до 270 мм, с шириной большой полки от 20 до 90 мм, с шириной малой полки от 10 до 80 мм. Швеллеры поставляются длиной от 4 до 12 м.
Сталь холодногнутая корытная равнополочная (ГОСТ 8283—67). Стандарт распространяется ьа стальной профиль, изготовляемый методом профилирования на профилегибочных станках. Профили из углеродистой стали выпускают с высотой стенки от 20 до 240 мм, шириной профиля от 10 до 70 мм, высотой полки от 16 до 50 мм. Толщина профиля — от 1,0 до 6 мм. Профили поставляют длиной oi 4 до 12 м.
Профили гнутые стальные. С-образные профили (ГОСТ 8282—57*). С-образные профили выпускают с высотой от 16 до 400 мм, с шириной горизонтальной полки от 10 до 160 мм, с высотой вертикальной полки от 6 до 50 мм Толщина профиля — от 2 до 7 мм при наибольших наружных размерах профиля до 160 мм и от 3 до 7 мм при наибольших наружных размерах профиля свыше 160 мм. Профили изготовляют длиной от 3 до 12 м.
Сортамент
681
Сталь холодногнутая зетовая равнополочная (ГОСТ 13229—67*). Стандарт распространяется на стальной профиль, изготовляемый методом профилирования на профилегибочном станке. Зетовые профили из углеродистой стали выпускают высотой от 10 до 250 мм с шириной полок от 10 до 90 мм, толщиной профиля от 1,2 до 6,0 мм. Профили поставляют длиной от 4 до 12 м.
Сталь чистотянутая для шпонок сегментная (ГОСТ 8786—68). Размеры сечений стали для шпонок приведены в табл. 53.
Сталь чистотянутая для шпонок (ГОСТ 8787—68*). Размеры сечений для шпонок приведены в табл. 54.
58. Номинальные размеры сечений (мм) чистотянутой стали для сегментных шпонок
Высота Радиуо Длина основания Высота Радиус Длина основания
1,4 4 3,8 10 25 24,5
2,6 7 6,8 11 28 27,3
3,7 10 9,7 13 32 31,4
5,0 13 12,6 15 38 37,1
6,5 16 15,7 16 45 43,1
7,5 19 18,6 17 55 50,8
9,0 22 21,6 19 65 59,1
54. Номинальные размеры сечений (мм) чистотянутой стали для шпонок
Ширина Высота Фаска или радиус закругления Ширина Выоота Фаска или радиус закругления
2 3 4 2 3 4 0,16 — 0,25 20 22 24 25 28 32 12 14 14 14 16 18 0,6—0,8
5 6 7 8 5 6 7 7 0,25—0,-40
36 40 45 50 20 22 25 28 1,0—1,2
10 12 14 16 18 8 8 9 10 11 0,40—0,60 56 63 70 32 32 36 1,6 —2,0
80 90 100 40 45 50 2,5 —3,0
682
Композиционные и неметаллические материалы
Листы, ленты, полосы
Сталь листовая горячекатаная (ГОСТ 19903—74). Стандарт распространяется на листовую горячекатаную сталь шириной 500 мм и более, изготовляемую в листах толщиной от 0,5 до 160 мм и рулонах толщиной от 1,2 до 12 мм.
Сталь, изготовляемую в листах, поставляют следующих размеров:
Толщина, мм Ширина, мм Длина, мм 0,5 —0,6 600-710 1 200-1 420 0,65-0,75 600 — 710 1 420—2 000 0,8—0,9 600 — 800 1 500—2 000 1,0 600—1000 1 420—2 000
Толщина, мм Ширина, мм Длина, мм 1,2-1,4 600-1 200 2 000-3 000 1,5 —1,8 600-1 500 2 000—6 000 2,0 —2,2 600 — 1 500 2 000—6 000 2,5—2,8 600—1 500 2 000—6 000
Толщина, мм Ширина, мм Длина, мм 3,0-3,9 600 — 1 800 2 000-6 000 4,0-5,0 700—1 800 2 000 — 6 000 6,0—7,0 700-2 000 2 000—6 000 8,0—10,0 700 — 2 500 2 000 — 12 000
Толщина, мм Ширина, мм Длина, мм 11-12 1 000 — 2 500 2 000-12 000 13-25 1 000 — 2 800 2 500—12 000 26-40 1 250-3 600 2 500-12 000 42—160 1 250—3 800 2 500—9 000
Сталь, изготовляемую в рулонах, поставляют следующих размеров.
Ширина, мм
Толщина, мм
500—630 650 — 950 950—1 100 1 250—1 400
1,2-12 1,5-12,0 1,5-12 1,5-12,0
Ширина, мм
Толщина, мм
1 500—1 800
3,0 — 12,0
1 900 — 2 000 6,0—10,0
2 100—3 200 7,0-10,0
Сталь листовая холоднокатаная (ГОСТ 19904—74). Стандарт распространяется на листовую холоднокатаную сталь шириной 500 мм и более, изготовляемую в листах толщиной от 0,5 до 5,0 мм и рулонах толщиной от 0,5 до 3,0 мм.
Сталь, изготовленную в листах, поставляют следующих размеров:
Толщина, мм Ширина, мм Длина, мм 0,5 500-1100 1000— 3000 0,55 — 0,65 500-1250 1000 — 3500 0,7 — 0,75 500-1420 1000 — 4000 0,8-1,0 500-1500 1000— 4000 1,1 —1,3 500—180 1000— 6000
Толщина, мм 2,2 —2,5 2,8-3,2 3,5 —3,9 4,0 —4,5 4,8—5,0
Ширина, мм 500 — 500 — 1250— 1250— 1250-
2300 2300 2300 2300 2300
Длина, мм 1000 — 1000 — 2000 — 2000 — 2000 —
6000 6000 4750 4500 4500
Сталь, изготовленную в рулонах, поставляют следующих рамеров:
Ширина, мм
Толщина, мм
500—1000 1100 — 1250 1400 1420
0,5-3,0 0,55—3,0 0,7 —3,0 0,7—2,5
Ширина, мм . , Толщина, мм , , ।
1500 0,8-2,в
1600
1.1— 2,5
1900-2300 2,2-2,5
Сортамент,
683
Сталь горячекатаная толстолистовая двухслойная коррозионностойкая (ГОСТ 10885—74). Стандарт распространяется на горячекатаную толстолистовую двухслойную коррозионностойкую сталь с основным слоем из углеродистой или низколегированной стали и плакирующим слоем из коррозионностойкой (нержавеющей) стали или никеля. Общая толщина листов и толщина коррозионного слоя следующие:
Общая толщина листов, мм Толщина коррозионно-стойкого слоя, мм
41 В 1,0-1,5
6: 7 1,5-2,0
В; 9; 10; И; 12; 14 2,0-3,0
16; 18; 20 2,5-3,5
22; 24; 2В 3,0—4,0
28; 30 3,5-5,0
32; 36; 40 4,0-6,0
45; 48; 50 4,5—7,0
53; 55; 60 5,0-7,5
65; 70; 75; 80; 85 6,0-12,0
90; 95; 100; 105; ПО 6,0-15,0
120; 125; 130; 140; 150; 160 6,0-20,0
Примечания. 1 В двухслойной стали, изготовленной электро-шлаковой сваркой, промежуточный слой относится к основному слою.
2. По соглашению сторон допускается изменение толщины коррозионно-стойкого слоя.
3. Для листов, изготовленных способом литого плакирования, допускается увеличение толщины коррозионностойкого слоя.
4. По требованию потребителя для листов толщиной 32, 36 и 40 мм допускается толщина коррозионностойкого слоя в пределах 6,0—9,0 мм.
Длина и ширина двухслойных листов и допускаемые отклонения по ширине, длине, толщине и косине среза соответствуют ГЪСТ 19903—74
Сталь толстолистовая высоколегированная коррозионностойкая и жаростойкая (ГОСТ 7350—66*). Листы изготовляют толщиной от 4 до 50 мм. Размеры листов и допускаемые отклонения по размерам должны соответствовать требованиям ГОСТ 19903—74.
Сталь тонколистовая конструкционная легированная высококачественная специального назначения (ГОСТ 11268—65*). Стандарт распространяется на тонколистовую сталь, применяемую в термически обработанном состоянии. Размеры листов и допускаемые отклонения должны соответствовать ГОСТ 19903—74 и 19904—74.
Сталь толстолистовая и широкополосная конструкционная легированная высококачественная специального назначения (ГОСТ 11269—65*). Применяется в термически обработанном состоянии. Тол столистовая сталь поставляется горяче- и холоднокатаной, широкополосная — горячекатаной. По размерам и допускаемым отклонениям толстолистовая сталь должна соответствовать ГОСТ 5681—57*.
684
Композиционные и неметаллические материалы
Лента стальная горячекатаная (ГОСТ 6009—74). Стандарт распрост-раняется на стальную ленту шириной от 20 до 220 мм и толщиной от 1,5 до 5,0 мм, получаемую горячей прокаткой и продольной резкой горячекатаной листовой рулонной стали.
Сталь прокатная полосовая (ГОСТ 103—57*) изготовляется шириной от 12 до 200 мм, толщиной от 4 до 60 мм.
Толщина и ширина полос следующие:
Толщина полосы, мм Ширина полосы, мм
4, Б, 6, 7, 8 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 16 12, 14 16 18 20, 22 25, 28
4, 5, 6, 7, 8, 9. 10, И, 12, 14, 16, 18, 20 30, 32, 36
4, 5, 6. 7, 8, 9, 10, И, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32 40
4,5,6,7,8,9,10, 11, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 32,36 45, 50, 56
4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, И, 12, 14, 16,18,20,22,25,28,30,32,36, 40, 45 60, 63, 65, 70, 75
4, Б, 6, 7, 8, 9, 10. 11, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 32, 36, 40, 45, 50, 56 80
4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 36, 40, 45, 50, 56, 60 85, 90, 95 100, 105, 110, 120, 125, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200
Допускаемые отклонения по толщине прокатной полосовой стали следующие:
Толщина полосы, мм Допускаемые отклоне- 4—6 7 — 16 18 20 22 25
ния, мм 4-3 4-0,2 4-0,2 4-0,2 4-о,2 4-0,2
-0,5 -0,5 -0,6 -0,7 — 0.8 — 1,0
Толщина полосы, мм Допускаемые отклоне- 28—32 36 40 45—50 56-60
ния, мм 4-0,2 4-0,2 4-0,2 4-0,3 4-0,3
— 1,2 —1,4 —1,6 —2,0 — 2,4
Допускаемые отклонения по ширине прокатной полосовой стали следующие:
Сортамент
685
Ширина полосы, 12 — 50 56 60 63; 65 70; 75 80; 85
Допускаемые
НИЯ, мм + 0,5 — 1,0 + 0,5 -1,1 + 0,5 — 1,2 + 0,5 -1,3 + 0,5 — 1,4 + 0.7 -1,6
Ширина полосы, мм 90; 95 100; 105 110; 115 120; 125
Допускаемые + 1,0 + 1,1
ния, мм + 0,9 + 1,0
— 1,8 — 2,0 —2,2 -2,4
Ширина полосы, мм 130 140 150 160 170; 190;
+ 1,3 180 200
Допускаемые
ния, мм + 1,2 + 1,2 + 1,4 + 1,5 + 1,7
-2,6 -2,8 -3,0 -3,2 -3,6 —4,0
Полосы горячекатаные из высококачественной стали 18ЮА (ГОСТ 15883—70) предназначены для производства изделий способом холодной вытяжки.
Размеры и предельные отклонения горячекатаных полос из высококачественной стали 18ЮА следующие:
Толщина, мм
Ширина, мм
Длина, мм
8,55±0,15
195+10
1900+20<*
Листы конструкционные из алюминия и алюминиевых сплавов (ГОСТ 12592—67**). Размеры листов и допускаемые отклонения по толщине приведены в табл. 55. Размеры листов в зависимости от марки сплава и состояния поставки приведены в табл. 55.
Ленты из алюминия и алюминиевых сплавов (ГОСТ 13726—68**). Толщина лент и предельные отклонения по толщине приведены в табл. 57.
Ширина лент и предельные отклонения по ширине следующие:
Ширина ленты, мм
Предельные отклонения, мм
От 40 до 175 ±0,5
Более 175 до 300 ±1,0
300 » 600 =»гЗ,0
600 > 1000 d=5,0
Листы и полосы латунные (ГОСТ 931—70). Стандарт распространяется на горячекатаные и холоднокатаные листы и холоднокатаные полосы. В табл. 58 приведены толщина и предельные отклонения по толщине горячекатаных листоь, в табл. 59 — толщина и предельные отклонения по толщине холоднотянутых листов, в табл. 60 — толщинь и предельные отклонения по юлщине холоднокатаных полос.
686
Композиционные и неметаллические материалы
55. Размеры (мм) и допускаемые отклонения (мм) по толщине конструкционных листов из алюминия и его сплавов
Толщина листа Ширина листа
1000 1200 1400 | 1500 | 1600 | 1800 | 2000
Допускаемые отклонения (—) по толщине
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1.0 1.2 0,10 0,12 0,12 0,12 0,12 0,15 0,15 0,12 0,12 0,12 0,13 0,13 0,16 0,16 0,12 0,13 0,13 0,14 0,14 0,17 0,17 0,13 0,13 0,13 0,14 0,14 0,17 0,17 0,13 0,13 0,13 0,14 0,14 0,17 0,17 0,16 0,16 0,18 0,20 0,18 0,18 0,20 0.22
1.5 1,6 1,8 1,9 0,20 0,22 0,25 0,25 0,25 0,26 0,27
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 0,20 0,25 0,30 0,30 0,30 0,30 0,24 0,28 0,33 0,34 0,35 0,35 0,26 0,29 0,34 0,35 0,36 0,36 0,26 0,29 0,34 0,35 0,36 0,36 0,26 0,29 0,34 0,35 0,36 0,36 0,27 0,30 0,35 0,36 0,37 0,37 0,28 0,30 0,35 0,36 0,37 0,37
5,0 5,5 0,35 0,36 0,37 0,37 0,37 0,38 0,38
6,0 6,5 0,40 0,41 0,42 0,42 0,42 0,43 0,43
7,0 7,5 0,40 0,42 0,43 0,43 0,43 0,44 0,44
8,0 8,5 0,45 0,46 0,47 0,47 0,47 0,48 0,48
9,0 9,5 0,45 0,47 0,48 0,48 0,48 0,49 0,49
10,0 10,5 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 □,50
Сортамент
687
56. Размеры листов (мм) конструкционных из алюминия и его сплавов
Состояние поставки Алюминий, алюминиевый сплав Толщина Ширина Длина
Отожженные АДОО, АДО, АД, АД1, АМц, АМг2 и АВ Д1А, Д16Б, Д16А, Д19А, и Д20А АМгЗ, АМг5, АМгбБ, Д1А Д16Б, Д16А, Д19А и Д20А Д12 Д16У и Д19У АМгб У В95А От 0,5 до 0,7 От 0,8 до 5,0 От 5,5 до 10,0 От 0,5 до 0,7 От 0,8 до 10,0 От 0,5 до 6,5 От 0,5 до 4,0 От 2,0 до 4,5 От 0,5 до 0,8 От 0,9 ДО 1,6 От 1,8 до 3,0 1000, 1200, 1400, 1500 и 1600 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 и 2000 1000, 1200 1400, 1500, 1600, 1800 и 2000 1000, 1200, 1400, 1500, и 1600 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 и 2000 1200 и 1500 1200 и 1500 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 и 2000 1000, 1200 и 1425 От 2000 до 4000 От 2000 до 4000 От 2000 до 7000 От 2000 до 7000 От 2000 до 7000 От 3000 до 4000 От 2000 до 7000 От 2000 до 7000 От 2000 до 4000 От 2000 до 5000 от 2000 до 6000 от 2000 до 7000
Полунагартован-ные АМц, АМг2 и АМгЗ Д12 От 0,5 до 0,7 От 0,8 до 4,0 От 4,5 до 10,0 От 9,5 ДО 6,5 1000, 1200, 1400, 1500 и 1600 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 и 2000 1000, 1200, 1400, 1500 и 1600 1200 и 1500 От 2000 до 7000 От 2000 до 7000 От 2000 до 4000 От 3000 до 4000
Нагартованное АДОО, АДО, АДЬ'АМц и АМг2 От 0,5 до 0,7 От 0,8 до 4,5 1000, 1200, 1400, 1500 и 1600 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 и 2000 От 2000 до 7000 От 2000 до 7000
688
Композиционные и неметаллические материалы
Продолжение табл. 66
Состояние поставки Алюминий, алюминиевый сплав Толщина Ширина Длина
От 5,0 до 10,0 1000, 1200, 1400, 1500 и 1600 От 2000 до 4000
Нагартованные ММ АМгбБ От 1,0 до 4,5 От 1,5 до 4,5 От 5,0 до 10,0 1000, 1200, 1400 и 1500 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 и 2000 1000, 1200 1400, 1500 и 1600 От 2000 до 4000 От 2000 до 7000 От 2000 до 4000
Закаленные и естественно состаренные Д1А, Д16Б, Д16А, Д19А, Д20А и АВ От 0,5 ДО 0,7 От 0,8 до 1,2 От 1,5 до 10,0 1000, 1200 1400, 1500 и 1600 1000, 1200, 1400, 1500 1600, 1800 и 2000 От 2000 до 5000 От 2000 до 5000
Д16У и Д19У От 0,5 до 1,2 От 1,5 до 4,0 1200 и 1500 1200 и 1500 От 2000 до 4000 От 2000 до 7000
Закаленные и искусственно состаренные В95А От 0,5 до 0,7 От 0,8 до 1,2 От 1,5 до 10,0 От 0,5 до 0,8 От 0,9 До 1,6 От 1,8 ДО 10,0 1000, 1200, 1400, 1500 и 1600 1000, 1200, 1400, 1500 1600, 1800 и 2000 1000, 1200 и 1425 От 2000 до 5000 От 2000 до 5000 От 2000 до 7000 От 2000 до 4000 От 2000 до 5000 От 2000 до 7000
Закаленные и искусственно состаренные особо прочные В95А От 1,2 до 10,0 1000, 1200 и 1425 От 2000 до 7000
Нагартованные после закалки и естественно состаренные Д16Б и Д16А АДОО, АДО, АД, АД1, АМц, АМг2, АМгЗ, АМг5, АМгбБ, АВ, Д1А, Д16А, Д19А и Д20А В95А От 1,5 ДО 7,5 От 5,0 до 10,5 От 5,0 до 10,5 1000, 1200, 1400 и 1500 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 и 2000 1000, 1200 и 1425 От 2000 до 7000 От 2000 до 7000 От 2000 до 7000
Сортамент
689
57. Толщина лент (мм) из алюминия и алюминиевых сплавов и предельные отклонения (мм) по толщине (мм)
Толщина ленты Предельные отклонения при ширине ленты Толщина ленты Предельные отклонения при ширине ленты
от 40 до 600 свыше 600 до 1000 от 40 до 600 свыше 600 до 1000
0,25 0,30 0,40 0,50 — 0,05 — 0,08 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 — 0,10 — 0,15
0,60 0,70 — 0,10
1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 — 0,15 — 0,20
0,80 0,90 — 0,08 — 0,12
58. Толщина (мм) горячекатаных латунных листов и предельные отклонения (мм) по толщине
Толщина Предельные отклонения для листов размером, мм Толщина Предельные отклонения для листов размером, мм
600X1500 (710X1410) 1000 X 2000 600X1500 (710X1410) 1000X2000
5 6 — 0,45 -0,50 -0,55 15 16 — 0,80 -1,0
7 8 -0,50 — 0,60 17 — 1,2
18 19 — 1,3
9 10 — 0,60 -0,70
20 21 22 -1,0 — 1,4
11 12 — 0,70 — 0,80
13 14 — 0,90
25 — 1,2 — 1,6
23 Заказ 848
690
Композиционные и неметаллические материалы
59. Толщина (мм) холоднотянутых латунных листов и предельные отклонения (мм) по толщине
Толщина* мм Предельные отклонения для листов размером, мм Толщина; мм Предельные отклонения для листов размером, мм
600X1500, 600X2000 800X2000 (710x1410) 1000 X2000 600X1500, 600X 2000 800X2000 (710x1410) 1000X 2000
0,4 — 0,06 — — 2,5 2,75 3,0 — 0,18 — 0,21 — 0,24
0,5 — 0,08 — 0,09 —
3,5 4,0 — 0,20 — 0,24 — 0,28 -0,30
0,6 0,7 0,8 — 0,10 —
4,5 5,0 — 0,22 — 0,27 — 0,32
— 0,30 — 0,36
0,9 1,0 1,1 — 0,10 — 0,12 — 0,16 5,5 6,0 — 0,25
1,2 1,3 1,35 1,4 1,5 — 0,12 — 0,14 — 0,18
6,5 — 0,35 — 0,40 — 0,44
7,0 7,5 8,0 — 0,27 — 0,37
1,6 1,65 1,8 — 0,14 — 0,16
— 0,20 9,0 — 0,48
2,0 — 0,15 — 0,18 — 0,22 10,0 — 0,30 — 0,40 — 0,50
11,0 12,0 — 0,36 — 0,50 -0,60 — 0,70
2,2 — 0,16
Проволока
Сортамент круглой холоднотянутой проволоки (ГОСТ 2771—57) — стальной, медной, алюминиевой и др. — приведен в табл. 61.
Допускается по требоЕанию потребителя поставлять проволоку следующих не включенных в табл. 61 номинальных диаметров, мм: 0,31; 0,35; 0,37; 0,55; 0,65; 1,25; 2,3; 2,7; 2,9; 3,1; 3,3; 3,5; 5,5; 5,8; 6,5. Допускаемые отклонения по этим диаметрам устанавливаются равными отклонениям ближайшего большего диаметра по табл. 61 за исключением диаметра 0,95 мм, для которого допускаемые отклонения устанавливаются теми же, что и для проволоки диаметром 0,90 мм.
Допускается в технически обоснованных случаях поставка проволоки с двусторонними допускаемыми отклонениями в зависимости от групп точности.
Проволоку низкоуглеродистую качественную (ТОСТ 792—67) изготовляют без покрытия (светлой КС) и с покрытием (оцинкованной КО) диаметром от 0,5 до 6,0 мм.
Сортамент
691
60. Толщина (мм) холоднокатаных латунных полос и предельные отклонения (мм) по толщине
Толщина Предельные отклонения для полос Толщина Предельные отклонения для полос
повышен* ной точности нормальной точности повышенной точности нормальной точности
0,4 — 0,06 2,25 — 0,10 — 0,12
0,5 — — 0,06 2,5 — 0,10 -0,12
0,6 — 0,07 2,75 — 0,10 — 0,12
0,7 — — 0,08 3,0 — 0,12 — 0,14
0,8 — 0,08 3,5 — 0,12 — 0,16
0,9 — — 0,09 4,0 — 0,12 — 0,18
1,0 — 0,08 — 0,09 4,5 — 0,15 — 0,20
1.1 — 0,09 — 0,10 5,0 — 0,15 — 0,20
1,2 — 0,09 — 0,10 5,5 — 0,15 — 0,20
1,3 — 0,09 — 0,10 6,0 — 0,15 — 0,25
1,35 — 0,09 — 0,10 6,5 — 0,15 — 0,25
1,4 — 0,09 — 0,10 7,0 — 0,15 — 0,25
1.5 — 0,09 — 0,10 7,5 — 0,15 — 0,25
1,6 — 0,10 — 0,12 8,0 — 0,15 — 0,25
1,65 — 0,10 — 0,12 9,0 — 0,18 — 0,30
1,8 — 0,10 — 0,12 10,0 — 0,18 — 0,30
2,0 — 0,10 — 0,12
Проволока стальная углеродистая пружинная (ГОСТ 9389—60*). В зависимости от механических свойств установлены четыре класса пружинной проволоки: I, II, ПА, III. Проволоку классов I, II и III изготовляют по группам точности ГТ4, а класса ПА — по группе точности ГТЗа (ГОСТ 2771—57).
Допускаемые отклонения по группам точности ГТЗа и ГТ4 для следующих номинальных диаметров, мм: 0,14; 0,15; 0,16; 0,18; 0,20; 0,22; 0,25; 0,28; 0,30; 0,32; 0,36; 0,40; 0,45; 0,50; 0,56; (0,60); 0,63; 0,70; (0,75); 0,80; (0,85); 0,90; 1,0; 1,10; 1,20; (1,30); (1,40); (1,50); 1,60; (1,70); 1,80; 2,00; 2,20; (2,30); 2,50; 2,80; 3,00; 3,20; (3,40); (3,50); 3,60; 4,00; 4,50; 5,00; 5,60; 6,00; 6,30; 7,00; 8,00.
Проволоку стальную пружинную термически обработанную (ГОСТ 1071—67*) изготовляют диаметрами, мм: 1,20; 1,40; 1,60; 1,80; 2,0; 2,30; 2,50; 2,75; 3,0; 3,20; 3,40; 3,50; 3,60; 3,75; 4,0; 4,10; 4,20; 4,50; 4,80; 5,0; 5,50.
Предельные отклонения должны соответствовать группе точности ГТ4 по ГОСТ 2771—57. Проволоку изготовляют из сталей 65ГА, К65ГА, К65А и 50ХФА.
Проволока стальная для пружинных шайб (ГОСТ 11850—72). Стандарт распространяется на стальную проволоку квадратного, прямоугольного и трапецеидального сечений. Квадратную проволоку выпускают со стороной квадрата от 0,5 до 10 мм, прямоугольную — с большей стороной от 0,8 до 10 мм и меньшей стороной от 0,5 до 7,5 мм.
Проволока из меди, раскисленной марганцем, для электровакуумной промышленности (ГОСТ 10989—64). Стандарт распространяется на круглую проволоку, применяемую для изготовления деталей электровакуумной промышленности. Проволоку изготовляют диаметром от 0,3 до 1,3 мм.
61. Сортамент и классы точности проволоки круглой холоднотянутой
Номинальные диаметры проволоки, мм Допускаемые отклонения (—), мм
Группа размеров Класс точности
I II III IV 1 2 2а 3 За 4 5
0,006 0,006 [0,008 0,005 0,0056 0,006 0,007 0,008 0,009 — — 0,001 0,0015 0,0020 — — —
0,010 0,016 0,025 0,010 0,012 0,0*16 0,020 0,025 0,030 0,010 0,011 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020 0,022 0,025 0,028 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 — —
0,040 0,060 0,040 0,050 0,060 0,080 0,032 0,036 0,040 0,045 0,050 0,056 0,063 0,070 0,080 0,090 0,002 0,003 0,005 0,008 0,010 — —
Композиционные и неметаллические материалы
Продолжение табл. 61
Номинальные диаметры проволоки, мм Допускаемые отклонения (—), мм
Группа размеров Класс точности
I 1 и III 1 IV 1 1 2 1 2а 2 | За 4 1 5
0,10 0,16 0,25 0,10 0,12 0,16 0,20 0,25 0,30 0,10 0,11 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,25 0,28 От 0,1 до 0,28 через 0,01 0,003 0,005 0,008 0,013 1 0,020 0,035 0,050
0,40 0,60 0,40 0,50 0,60 0,32 0,36 0,40 0,45 0,50 0,56 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,45 0,48 0,50 0,53 0,56 0,60 0,004 0,006 0,010 0,015 0,025 0,040 0,060
IIIIIUI 0,80 0,63 0,70 0,80 0,90 0,63 0,67 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 0,005 0,007 0,012 0,018 0,030 0,045 0,070
Сортамент
05 СО СО
Продолжение табл. 61
Номинальные диаметры проволоки, мм Допускаемые отклонения (—), мм
Группа размеров Класс точности
I II III IV 1 2 1 1 2а 1 1 3 1 1 За 1 4 5
1,00 1JS0 2?5 1,00 1/20 1,60 2,00 2?5 Б 1,00 МО мо 1,40 МО МО 2,00 2/20 2?5 2?8 3,2 3?6 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,30 1,40 - 1,50 ’ 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,40 2,50 2,60 2,80 3,00 3,2 3,4 3,6 • 0,010 0,014 0,020 0,040 0,060 0,120 а
4,0 6,0 4?0 5?0 6,0 4?0 •*7з б7о 5?6 3,8 4,0 4,2 4,5 4,8 5,0 5,3 5,6 6,0 — 0,013 0,018 0,025 0,048 0,080 0,16
Композиционные и неметаллические материалы
Продолжение табл. 61
Номинальные диаметры проволоки, мм Допускаемые отклонения (—), мм
Группа размеров Класс точности
П III IV 1 2 2а 3 | За 4 5
11111111 1 8,0 6,3 7,0 8Д) 9,0 6,3 6,7 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 — 0,016 0,022 0,030 0,058 0,10 0,20
10,0 16,0 10,0 12,0 16,0 10,0 И,0 12,0 14,0 16,0 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 — — 0,027 0,035 0,070 0,12 0,24
Примечания: 1. Допускаемые отклонения для проволоки диаметром от 0,1 до 1,0 мм (включительно) установлены по ГОСТ 3047—66 *. Допускаемые отклонения для проволоки диаметром от 1,0 до 16,0 мм установлены для классов точности: 2 — по ОСТ 1012, 2а — по ОСТ НКМ 1016, 3 — по ОСТ 1023, За — по ОСТ НКМ 1027, 4 — по ОСТ 1024, 5 — по ОСТ 1025.
2. Группу IV размеров применять не рекомендуется.
Сортамент
696
Композиционные и неметаллические материалы
62. Номинальные размеры сечения (мм) и классы точности изготовления (ГОСТ 2771 — 57) проволоки из медно-цинковых сплавов
Размер Форма сечения Класс точности
повышенной нормальной
От 0,10 до 0,30 Круглая За
От 0,32 до 12,0 За 4
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5 Квадратная в 4 5
6,0 шестигранная
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
Проволока из медно-цинковых сплавов (ГОСТ 1066—75). Стандарт распространяется на проволоку из медно-цинковых сплавов марок Л68, Л63 и ЛС59-1 по ГОСТ 15527—70: круглую — диаметром от 0,1 до 12 мм; квадратного и шестигранного сечения — диаметром от 3 до 12 мм.
Размеры круглой проволоки и допускаемые отклонения по диаметру должны соответствовать ГОСТ 2771—57.
Классы точности изготовления в зависимости от размера и формы сечения проволоки приведены в табл. 62; за диаметр проволоки квадратного и шестигранного сечений принимается диаметр вписанной окружности, т. е. расстояние между параллельными гранями проволоки.
Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов (ГОСТ 7871—75). Стандарт распространяется на тянутую и прессованную проволоку диаметром от 0,8 до 12 мм.
Проволока из латуни свинцовой марки ЛС63-3 (ГОСТ 19703—74). В табл. 63 приведены диаметры латунной проволоки и ее предельные отклонения.
Проволока латунная для холодной высадки (ГОСТ 12920—67). Стандарт распространяется на латунную проволоку марки Л63. В табл. 64 приведены диаметры проволоки и допускаемые отклонения.
Проволока нейзильберовая (ГОСТ 5220—71). Стандарт распространяется на проволоку круглого сечения диаметром от 0,1 до 5,0 мм (табл. 65).
Сортамент
697
63. Диаметр (мм) проволоки из свинцовой латуни и его предельные отклонения (мм) по диаметру
Диаметр Предельные отклонения (—) по диаметру проволоки точности изготовления Диаметр Предельные отклонения (—) по диаметру проволоки точности изготовления
нормальной (класс точности 4) повышенной (класс точности За) нормальной (класс точности 4) повышенной (класс точности За)
0,45 0,48 0,50 0,53 0,56 0,040 0,025 2,70 2,80 2,90 3,00 0,060 0,040
3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 3,80 3,90 4,00 4,20 4,50 4~80 5,00 5,50 6,00 0,080 0,048
0,63 0,70 0,75 0,80 0,90 0,045 0,030
1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 0,060 0,040
6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 0,10 0,058
10,00 11,00 12,00 0,12 0,070
698
Композиционные и неметаллические материалы
64. Диаметр (мм) и предельные отклонения (мм) латунной проволоки для холодной высадки
Диаметр готового изделия Диаметр проволоки для Предельные отклонения (—) по диаметру проволоки точности изготовления
болтов и винтов гаек заклепок шпилек 0 О с а нормальной повышенной
1,00 1,20 1,40 1,60 2,00 2,50 3,00 1,20 1,32 1,70 2,16 2,60 1111111 1,00 1,20 1,40 1,60 2,00 2,50 3,00 2,64 М5 1,80 2,35 2,85 (2,40) 0,04 •
3,50 4,00 5,00 6,00 ЗЛ8 4,38 5,20 5,28 6,00 8,30 3,50 4,00 5,00 6,00 3/50 4,43 5,28 3,35 3,85 (3,26) 4,8 (4,10) 5,8 0,05 —
7,00 8,00 9,00 10,00 7,10 8?85 9^60 7,00 8,00 9,00 10,00 7,10 8?85 7?8 9,8 0,10 0,06
65. Диаметр (мм) и предельные отклонения (мм) нейзильберовой проволоки
Диаметр проволоки Предельные отклонения (—) по диаметру проволоки точности изготовления Диаметр проволоки Предельные отклонения (—) по диаметру проволоки точности изготовления
повышенной нормальной повышенной нормальной
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 •— 0,020 1,30 1,40 1,50 1,60 1,80 — 0,040
0,40 0,50 0,60 — 0,025 2,0 2,20 2,50 2,80 3,00 0,040 0,060
0,70 0,80 0,90 — 0,030
3,50 4,00 4,50 5,0 0,048 0,080
1,00 1,10 1,20 — 0,040
Сортамент
699
Трубы (табл. 66, 67)
66. Основной сортамент стальных труб
Трубы Наружный диаметр Толщина стенки Длина^ м ГОСТ
мм
Малых размеров Прецизионные: 0,32— 4,80 0,1-1,6 0,3—7,0 14162—69
горячекатаные • • . 26-325 2,5— 20,0 4,0— 12,0 9567—60*
калиброванные Особо тонкостенные нержавеющие бесшовные, холоднотянутые и ката- 7—710 0,1 — 32,0 1,0—9,0 9567-60*
ные Общего назначения: бесшовные холодно- 4,0— 120,0 0,2—8,0 1,0—8,0 10498—63*
тянутые и катаные бесшовные горячека- 1,0-200 0,1 — 12,0 1,5-9,0 8734-75
таные ... электросварные холоднокатаные и тя- 25—800 2,5— 75,0 4,0— 12,5 8732—70*
нутые Общего назначения электросварные с прямым 5,0— 110,0 0,5—5,0 1,5-9,0 10707—73
швом Нержавеющие: 8,0— 1620 1,0— 16,0 2,0— 10,0 10704 — 63*
электросварные • • бесшовные, горячеде- 8,0— 102 1,0—4,0 1,5-8,0 11068-64*
формированные . . бесшовные, холодно-и теплодеформиро- .67,0— ' 325 1,5— 32,0 1,5— 10,0 9940—72*
ванные Водогазопроводные свар- 5,0-250 0,2— 22,0 1,5—9,0 9941 — 72*
ные Для карданных валов 6,0—150 1,8—4,0 4—12 3262—75
электросварные .... Высокого давления для ди- 45—71 1,6—3,5 0,475— 8,5 5005-65*
зелей бесшовные . . . Для мотовелопромышленности: бесшовные волоченые 6—13 0,5 11017—64
и не волоченые . . 6—102 0,8—7,5 1,5—9,0 12132—66*
электросварные . . . Биметаллические коррозионностойкие бесшовные, холоднокатаные и 6—102 0,8-7,5 1,5-9,0 12132—66*
тянутые 6—370 1,5— 10,0 1,5—9,0 10192—62*
700
Композиционные и неметаллические материалы
67. Основной сортамент круглых труб из цветных металлов и сплавов
Название или назначение труб Металл трубы Наружный диаметр ы Толщина стенки IM Длина, мм ГОСТ
Капиллярные Для сильфонов, тонкостенные Тонкостенные То же Радиаторные Общего назначения Теплообменные Биметаллические Медь и латунь Полутом-пак Медь и латунь Никель Медь и латунь Бронза Мельхиор Медь— сталь 1,2—2,5 8—80 1,5—28 0,4—5,4 4—11 42—300 10—35 6—370 0,35— 0,5 0,07— 0,8 0,015— 0,7 0,05— 0,3 0,15— 0,2 5—60 0,8—4,0 1,5— 10,0 10 0,2 и бблее В бухтах 0,2—0,4 До 4 0,5—6,0 1,5—9,0 2624—67* 5685—51* 11383—65 13548—68* 529—41* 1208—73 10092—62 10192—62*
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аузукалнс Я. В., Булаве Ф. Я.» Гуняев I). М. Деформативные и прочностные свойства углепластиков при сжатии. »— «Механика полимеров» 1973, № 1, с. 29—35.
2. Балкевич В. Л. Техническая керамика. М., Стройиздат, 1968, 199 о.
3. Гуняев Г. М. Бороволокниты. — В кн.: Пластики конструкционного назначения. Под ред. Е. Б. Тростянской. М., «Химия», 1974, с. 320—326.
4. Каталог технических ситаллов. М., Стройиздат, 1969, 47 с.
5. Конструкционные полимеры Кн. 1. М., изд. МГУ, 1972, 322 о. Авт.; П. М.Огибалин, Н. И. Малинин, В. П. Нетребко, Б. П. Кишкин.
6. Маркелов П. А. Резание металлов инструментами с керамическими пластинками. М., Оборонгиз, 1960, 284 о.
7. Материалы в машиностроении. Справочник. Т. 5. М.» «Машиностроение», 1969, о. 7—156.
8. Назаров Г. И., Сушкин В. В., Дмитриевская Л. В. Конструкционные пластмассы. Справочник. М., «Машиностроение», 1973, 187 с.
9. Павлушкин Н. М. Спеченный корунд. М.» Госстроиздат, 1963, 208 с.
10. Свойства стеклопластиков, усиленных высокомодульными волокнами. — «Механика полимеров», 1972, № 1, о. 68—74. Авт.; А. М. Скудра, Э. 3. Плуме, Г. М. Гуняев, В. А. Ярцев, Н. А. Беляева.
И. Современные композиционные материалы. Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. М., «Мир», 1970, 672 с.
12. Сопротивление сдвигу композитов на основе вискеризованных волокон. — «Механика полимеров», 1973, X» 3, с. 492—501. Авт.: Г. М. Гуняев, И. Г. Жигун, Т. Г. Сорина, В. А. Якушин.
13. Справочник по пластическим массам. Под ред. М. И. Гарбара, В. М. Катаева, М. С. Акутина. Т. 1. М., «Химия», 1967, 462 с.
Список литературы
701
14. Справочник по пластическим массам. Под ред. М. И. Гарбара, В. М. Ка« та ев а, М. С. Акутина. Т. 2. М., «Химия», 1969, 517 с.
15. Справочник по пластическим массам. Под ред. В. М. Катаева, В. А. Попова, Б. И. Сажина, Т. 1, Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Химия», 1975, 443 с.
16. Стекло. Справочник. М., Стройиздат, 1973, 487 о.
17. Структура, свойства и испытания углепластиков, — «Механика полимеров», 1975, X» 2, с. 248—257. Авт.; А. Т. Туманов, Г. М. Гуняев, В. Г. Мот-цау, Е. И. Степанычев.
18. Туманов Т. А., Портной К. И. Новые пути повышения жаропрочности никелевых сплавов. — «ДАН СССР», 1971, т. 197, X» 1, с. 75—77.
19. Туманов Т. А., Портной К> И. Новые материалы в современной технике. — «ДАН СССР», 1972, т. 205, Хе 2, с. 336—338.
20. Химическая технология керамики и огнеупоров. М., Стройиздат, 1972, 551 с. Авт.; П. П. Будников, В. Л. Балкевич, А. С. Бережной, И/ А. Булавин, Г. В. Куколев, Д. Н. Полубояринов.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Азотирование стали — Свой* ства азотированных изделий 348—352 — Строение азотированного слоя 338, 339
—- в тлеющем разряде (ионное) 347, 348
---- газовое 341—347
---- жидкое 352—356
----интенсивностареющей 226 ----с добавками углеродосодер-
жащих газов 356
Азотонауглероживание — см. Нитроцементация высокотемпературная, цианирование высокотемпературное
Алитирование 563, 564, 572 — Методы, характеристики 364— см. также Обработка химикотермическая металлов для защиты от окисления
Алюминий — Марки, состав 464
Алюминирование — см. Алитирование
Алюмоборирование 575, см. также Обработка химико- термическая металлов для защиты от окисления
Амплитуда напряжении цикла 23
Армирующие волокна — см. Волокна армирующие
Аустенит 67, 72, 155, 311 — Виды зерна 295, 296, 298 — Распад 306—309
Б
Баббиты 407
----кальциевые 407—409
----оловянные 407—409
---- свинцовые 407—409
Бейнит 72, 308, 309
Борирование 361—363 — Виды, методы, характеристики 362
Бороволокниты 593, 594 — см. также Материалы композиционные волокнистые
Бронзы 431 — Классификация 431 — Маркировка 431 — Полуфабрикаты 433; 440
----безоловянные 431, 433 — Марки, назначение, состав 434, 436 — Характеристики свойств 438, 439
---- оловянные 431 — марки, назначение, состав 432— 435 — Характеристики свойств 437
В
Валиковая проба 45, 46
Вискеризация 591
«Водородная болезнь» 418, 463
Волокна армирующие 583, 585, 586
Вольфрам — Взаимодействие с различными средами 559
— Назначение 561
— Получение 558
— Характеристики свойств 559, 560
Предметный указатель
703
Выносливость 22 ГОСТ 1761—70* 440
Выплавка стали 139 — Способы 138 1778—70 285 1789—70 440 1791—67 446
Вытяжка стали — Категории 38 Вязкость ударная 28 — Определение 29—30 2055—43 21 2060—73 430 2112—71* 420 2132—58 454 2169—69 575
Г 2170—73 454, 458 2176—67 230 2179—59 454
ГОСТ 5—72* 624 103—57* 684 380—71* 73, 132 434—71* 420 492—73 442, 449, 450, 456 493—54* 435, 436 494—69 430 495—70 419 529—41* 420, 430, 700 613—65 435 617—72 420 767—70 416, 419 792—67 690 800—55* 186 801—60* 186, 187 802—58 261 804—72 507 849—70 449, 450, 572 859—66* 415, 416 860—60* 396 931—70 430, 685 977—65* 132 1048—70* 440 1050—74 86 1066—75 696 1071—67* 203, 691 1133—71 674 П73—70* 419 1208—73 440, 700 1209—73 408 1320—74 408 1412—70 371 1414—75 127 1435—74 148, 197 1497—73 12, 419 1499—70* 398 1535—71 420 1579—63 419 1585—70 383 1595—71 440 1628—72 440 2208—70 430 2283—69* 204 2581—71 508 2590—71 675 2591—71 675 2624—67* 420, 430, 700 2704—66 324 ' 2718—74 625 2771—57 690, 691, 696 2789—73 410, 673 2860—65 22, 31 3047—66* 695 3248—60 16 3262—75 699 3443—57 373 3565—58 18 3640—75 500 3773—72 504 3882—74 180, 181 4041—71* 86 4134—75 434 4159—64* 575 4442—72 430 4543—71 100, 101, 197, 279 4647—69* 601 4648—71 601, 634 4650—73 602 4651—68 601, 634 4670—67 602 4692—57 674 4693—57* 674 4727—67 186 4748—70* 440 4752—55* 420 4784—65* 464 5005—65* 699 5017—74 432 5063—73 446, 458 5187—70* 446, 458 5189—75 446
704
Предметный указатель
ГОСТ 5220—71 446 ГОСТ 9359—73 627
5221—72 440 9389—75 199, 691
5222—72 440 9440—60* 606
5272—68* 58 9450—60 36
5307—69 446 9454—60 27, 28, 41, 51
5520—69* 129 9455—60 27
5535—50 324 9456—60 27, 41
5582—61* 230 9550—71 601
5632—72** 172, 186, 187, 9567—60* 699
209, 234, 241, 250, 254, 9651—73 16, 41
279, 572 9925—61 261
5638—75 419 9940—72* 230, 699
5639—65 37, 296 9941—72* 230, 699
5657—69 313, 315 10007—72 608
5981—57* 683 10025—62 440
5685—51 430 10087—62* 619
5689—73 625 10092—75 446, 700
5695—51* 700 10145-62 18, 46
5905—67* 575 10155—62 262, 446
5950—73 148, 153, 161 10160—75 262, 265
5960—72* 172 10192—62* 699, 700
6009—74 684 10292—62 622
6012—67 454 10446—63 413
6235—73 454 10456—69 602
6511—60 440 10498—63* 699
6862—71 269, 270 10500—63** 246
6996—66 46, 47, 51 10510—74 41
7117—62 504, 505 10587—72* 623
7293—70 374 10589—73* 612
7350—66* 230, 683 10702—63* 86
7769—63 377, 378 10704—63* 699
7871—75 696 10707—73 699
8190—56** 402 10851—73 626
8239—72 680 10885—74 683
8240—72 679 10989—64 691
8276—63* 680 10994—74 212, 214
8278—75 680 11012—69 602
8281—69 680 11017—64 699
8282—57* 680 11068—64* 699
8283—67 680 П069—74 464
8509—72 679 11070—74 575
8510—72 679 11150—65 15
8675—62 318 11262—68 601
8697—58** 627 11268—65* 683
8732—70* 699 11269—65* 683
8734—75 699 11383—65 420, 430, 700
8786—68 681 11629—75 602
8787—68* 681 11701—66 38, 39, 419
8817—73 41 11849—66 378, 379, 380,
9012—59* 33 382
9013—59 35 11850—72 691
9045—70* 37, 38, 41, 86, 12015—66 602
93 12019—66 602
Предметный указатель
705
ГОСТ 12020—72 602 12021—75 602 12132—66* 699 12271—66* 607 12592—67** 685 12766—67* 274, 456 12920—67 430, 696 13047.1—67 454 13047.18—67* 454 13077—67* 607 13083—67 454, 455 13229—67* 681 13518—68 602 13537—68 602 13548—68* 454, 700 13585—68 45 13726—68** 685 13744—68 609 13813—68 40 13814—68 40 13819—68 58 13938.0—68 419 13938.12—68 419 13938.13—69 419 14019—68 40, 419 14113—69 411 14162—69 699 14332—69* 606 14359—69 602 14623—69 60 14891—69* 132 14906—69* 609 14955—69 678 14959—69 197, 205 15065—69 602 15088—69 602 15089—69 602 15139—69 602 15173—70 602 15471—70 419 15527—70 401, 422, 423, 696 15809—70 610 15834—70 440 15835—70 -440, 678 15883—70 685 15885—70 440 16130—72 420, 430 16337—70* 604 16338—70* 604 16523—70* 93 16782—71 602 17036—71 601
ГОСТ 17088—71 602 17163—71 668 17170—71 602 17217—71 446 17478—72 622 17648—72 617 17711—72 425 18175—72 434 19249—73 53 19250—73 52 19265—73 164, 168 19282—73 129 19703—74 696 19772—74 680 19904—74 683 19807—74 535 19903—74 682, 683 19904—74 682
д
Деформация остаточная 20
---- упругая 20
Диаграммы превращения аусте-
нита изотермические 306
----термокинетические 307, 309
Диффузионное насыщение стали металлами 363—368 — см.
также под его названиями, например: Алитирование, Силицирование, Хромирование, Цинкование
Долговечность усталостная 24
Дрессировка стали 38
Ж
Жаропрочность 245
Железо — Модификации 64
Живучесть — 3
3
Закалка подшипников качения 191
Закалка сталей 312 — Характеристика 292—293
---- автоматных 106—118
----высокопрочных среднеле-
гированных 216—218
706
Предметный указатель
----инструментальных 297, 298
----конструкционных 298
----нетеплостойких высокой твердости 153
— нетеплостойких повышенной вязкости 157
----полутеплостойких высокой твердости 161
----полутеплостойких повышенной вязкости 162
----пружинных 204, 205, 210, 212—214
----теплостойких высокой твердости 169, 170
----теплостойких повышенной
вязкости 173, 174
И
Измерение твердости вдавливанием алмазной пирамиды (испытания на микротвердость) 36
----по Бринеллю 33, 34
---- по Виккерсу 33—35
----по Роквеллу 35—36
Инвар 271
Ингибитор 6 Г
Инструменты из твердых сплавов — Классификация 184
Испытания динамические 12
Испытания механические для определения штампуемости на микротвердость 39
----на растяжение 39
---- на твердость 39
Испытания на вытяжку и коническую матрицу по Фукуи 43
----на вытяжку сферической лунки 41
----на вытяжку цилиндрического колпачка и отбортовку отверстия 41, 42
Испытания на вязкость ударную 27, 28
----на двойной кровельный замок 40
----на длительную прочность 18
----на изгиб 40 — Методы, образцы 21
----на изгиб по Гюту, Вольтеру, на пружинение при чистке по Элеру 40
----на кручение 19—21 ----на микротвердость — см.
Измерение твердости
----на осадку черных металлов и сплавов 41
----на перегиб 40
----на ползучесть 16—18
----на расплющивание 43
Испытания на растяжение при
комнатной температуре — Определяемые характеристики — Форма и размеры образца 14
----при повышенной температуре — Определяемые характеристики 16
----при пониженной температуре — Определяемые характеристики 15
Испытания на усталость 22 —
Образцы, условия 25, 26
---- специальные 26
Испытания по Олзену, Эйвери, Гиллери 42
----при повторно-переменной нагрузке 12
К
Каменное литье 672, 673
Карбидная неоднородность — см. Карбидный балл
Карбидный балл 161, 165, 189
Карбоволокниты 593 — см. также Материалы композиционные волокнистые
----полимерные 592, 593
----слоистые 593
----с углеродной матрицей 595, 596
Предметный указатель
707
Карбонитрирование — см. Нитроцементация высокотемпературная
Карбюризаторы 324, 325
----жидкие 332
----твердые 328, 329
Керамика 607 — см. также под ее названиями, например: Каменное литье; Фарфор
----окисная 668, 671 — Характеристики свойств 669, 670
—— химически стойкая 671 — Характеристики свойств 672
Ковар 271
Ковка сталей нетеплостойких повышенной вязкости 160 ----полутеплостойких высокой твердости 161
----теплостойких высокой твердости 168
----теплостойких повышенной вязкости 173 ’
Константан 446
Контролируемые атмосферы 305
Копель 446
Коррозионная стойкость металлов 59, 60 — Объемный метод оценки 60 — Оценка по десятибалльной шкале 59
---- сплавов 59
Коррозия металлов 57 — Виды 58
— Показатель 58, 60
— Способы защиты 60—63
Коэффициент асимметрии цикла 23
----затекания 55
---- пористости 54
Кривая усталости — Построение 25
----малоцикловой 26, 27
Кривые деформации 12
Кристаллическая решетка 70, 71
Л
Латуни 419 — Марки, обозначение, состав 419, 422—425
— Полуфабрикаты 421, 430, 431
— Характеристики свойств 421, 426—429
Легирование поверхностное 561 562
Легирующие элементы 139, 141 — Влияние на свойства бронз 432, 433
— Влияние на свойства латуней 419, 421
— Влияние на свойства меди 418
— Влияние на свойства сплавов медноникелевых 441
— Влияние на свойства сплавов никелевых 455
— Влияние на свойства сталей 73, 74—78, 215, 216, 321, 322
— Влияние на свойства чугуна 322
— Классификация 69
— Назначение 64
Легирующие элементы графитизирующие 69
---карбидообразующие 73, 309
---нейтральные 73
Лента пружинная термически обработанная — Материал для изготовления 201 — Отпуск 202 — Свойства прочностные и число переменных изгибов 202
---холоднокатаная 203 — Характеристики свойств 204
М
Магний 506 — Характеристики свойств 507, 508
Магниты 268 — см. Сплавы магнитно-твердые
Материалы композиционные волокнистые 599 — Анизотропия свойств 589 — Способы изготовления 596, 598
---вискеризованные 591
---дисперсноупрочненные 587 ---металлические 586, 587, 597
708
Предметный указатель
----на алюминиевой основе 597 ----на никелевой основе 598 ----на основе алюминий — стальная проволока 597
----на основе алюминия и магния 597, 598
---- на основе легких сплавов 598
----слоистые 592
---- с направленной кристаллизацией эвтектических структур 599
----с однонаправленным и перекрестным расположением волокон 591
----с ортогональной и сложной укладкой волокон 589, 590 ----с пространственно сшитой арматурой 591
Материалы неметаллические — см. под их названиями, например: Керамика; Ситаллы; Пластические массы
----подшипниковые 407, 415 — см. под их названиями, например: Баббиты оловянные; Баббиты свинцовые; Сплавы алюминиевые подшипниковые
Медь 415 — Марки, состав 417 — Полуфабрикаты 419, 420 — Характеристики свойств 415, 416, 418
Металлы — Коррозия — см. Коррозия металлов
----тугоплавкие 547 — см. также под их названиями, например: Вольфрам; Молибден; Ниобий; Тантал ----цветные — см. под их названиями, например: Алюминий; Магний; Медь; Титан; Цинк
----черные — см. Стали; Чугун
Метод АЕГ, института пластической деформации металлов ГДР, Зибеля 43
----испытаний листов и лент гидравлический 41, 42
Модификаторы 600
Модуль упругости при сдвиге — Определение 19
Молибден — Взаимодействие с различными средами 556
— Назначение 556, 558
— Получение и обработка 554
— Характеристики свойств 554—556
МРТУ 4-2-114—66 187 6-05-871—66 611 6-05-988—66 613 6-05-1018—66 615 6-05-1032—66 614 6-05-1032—66 614 6-05-1041—71 620 6-05-1082—67 623 6-05-1169—69 626 6-05-1248—69 613, 614 6-05-1297—70 622 6-05-1441—71 613 6-06-308—70 614 6-Ц-60—67 623 6-11-129-69 618 6-11-139—69 623 6-11-191—71 623
Н
Нагрев для термообработки сталей 302 — Зернистость стали 295, 296
— Назначение 289
— Применение контролируемых атмосфер 303, 304
— Продолжительность при аустенитизации 297, 298, 300
— Составы солей 305
— Температура аустенитизации 296, 297, 299
— Условия 290—294
Надежность 30
Наклеп поверхностный — Виды 220, 221
— Влияние на свойства деталей из сталей высокопрочных 220—222
Наполнители 584, 600
----армирующие 583
Предметный указатель
709
Напряжение истинное 12, 13 ---- номинальное — 24 ----условное 12, 13
Напряжение цикла максимальное 23
----минимальное 23
---- среднее 23
Никель 447 — Марки, состав, назначение 449, 450
— Полуфабрикаты 454
— Характеристики свойств 447, 448, 451—454
Никотрирование — см. Азотирование с добавками углеродосодержащих газов
Ниобий — Взаимодействие с различными средами 549, 551 — Получение и обработка 548, 549
— Применение 551
— Характеристики свойств 548, 549
Нитроцементация 194
----высокотемпературная 356—360
----низкотемпературная — см. Азотирование с добавкам и углерод содержащих газов
О
Обработка — Виды — см. под их названиями, например: Обработка термическая; Обработка химико-термическая ---- горячая механическая
Обработка термическая сплавов также под их названиями, например: Сплавы алюминиевые деформируемые — Обработка термическая
Обработка термическая сталей — см. Закалка сталей; Отжиг сталей; Отпуск сталей, а также под их названиями, на-
пример: Стали высокопрочные — Обработка термическая
— Виды 289 — Схемы режимов 312
----после цементации 334 — Режимы 335
---- предварительная 15
Обработка термомеханическая 238
Обработка химико-термическая — Виды — см. под их названиями, например: Цементация; Цианирование
Обработка химико-термическая металлов для защиты от окисления 561, 578—581
----вакуумным диффузионным насыщением 566, 567
----диффузионным насыщением в порошковых смесях 562, 564, 565
— см. Силицирование
----диффузионным насыщением из химически активных сред 567
----ионизационным диффузионным насыщением 576, 577
----циркуляционным диффузионным насыщением 567— 572, 575, 576
Обработка химико-термическая сталей 323
— см. под ее названиями, например: Азотирование стали; Борирование; Нитроцементация
Образец Менаже 28, 50, 51
Оксидирование 170, 171
ОПТУ 578—59 621
ОСТ 6-01-67—72 611
6-06-14—70 612
1012 695
1023 695
1024 695
1025 695
НКМ 1016 695
НКМ 1027 695
Отжиг сталей 310 — Нормы выдержки 300 — Характеристика 290—291
710
Предметный указатель
----нетеплостойких высокой твердости 152, 153
----нетеплостойких повышенной вязкости 157
----полутеплостойких высокой твердости 161
----полутеплостойких повышенной вязкости 162
----теплостойких высокой твердости 168
----теплостойких повышенной вязкости 173
Отливки — Группы, назначение, методы контроля 141 — Обработка термическая 142
----бронзовые 431
Отливки из сталей 137 — Назна-
чение, методы контроля 141
----высоколегированных 143
----конструкционных легированных 142—148
----конструкционных нелегированных 141, 142
Отливки из чугуна
----высокопрочного с шаровидным графитом 374, 375
----жаростойкого 377
---- ковкого 376
----отлитые в металлические
формы 374
Отливки латунные 421
Отпуск ленты термически обработанной пружинной 202 ----подшипников качения 192
Отпуск сталей — Характеристика 289 ----автоматных 106—118 ----высокий 321, 322 ----высокопрочных среднелегированных 216, 217, 222 ----карбидный 168, 169 ----нетеплостойких высокой твердости 154, 155
---- нетеплостойких повышенной вязкости 159
---- низкий 320, 321
----полутеплостойких высокой твердости 161
----полутеплостойких повышенной вязкости 163
----после шлифования 170 ----пружинных 201, 205, 206—
208, 210
----смягчающий 173
Охлаждение плоскопараллельных концевых мер 154
Охлаждение сталей при закалке 292, 293
----при нормализации 291
----при обработке термической 320 — Охлаждающие среды для закалки 316—320 — Прокаливаемость сталей 313—316 — Режимы 309— 313 — Фазовые превращения, их диаграммы 306— 309
----при отжиге 290, 291
----при отпуске 293, 294
П
Пайка — Выбор величины зазоров 53
— Выбор основного металла 51, 52
— Выбор припоя 51
— Выбор способа нагрева 53
Параметры Ирвина 31, 32 Патентирование 198 Паяемость 51 Пластификаторы 600 Пластические массы — Классификация 599, 603 — Методы испытаний 601, 602 — Свойства 602, 603
----термопластичные — см.
Термопласты
----термореактивные — см. Реактопласты
Пластмассы — см. Пластические массы
Подшипники качения — Закалка 191
— Материалы для изготовления 185, 186, 190 — см. также Сплавы коррозионностойкие
— Нитроцементация 194
— Отпуск 192
— Цементация 191, 193, 194
— Цианирование 191, 194 Ползучесть — Понятие 16 Полиамиды 603, 612—614 Полимеры 599, 600 Полу томпак 419
Предметный указатель
711
Предел выносливости 22, 24 — Обозначения 24 — Определение при испытании на усталость 24, 25
----ограниченный — Понятие 24
Предел длительной прочности — Определение, понятие 18
Предел ползучести — Определение 16, 17
----условный — Определение, понятие 17
Предел пропорциональности при кручении — Обозначение, определение 16
----условный (при растяжении) — Обозначение, определение 14
Предел прочности при изгибе 22
----при кручении истинный 20, 21
----при растяжении 15
----условный (относительный) 21
Предел текучести условный — Обозначение, понятие 13
----условный при кручении — Обозначение, определение 20
----условный при растяжении — Обозначение, определение 15
----физический — Обозначение, понятие 13
----физический при растяжении — Обозначение, определение 14
Предел упругости условный — Обозначение, понятие 13
----при растяжении — Обозначение, определение 14
Прибор Шора 37
Примеси в стали — Влияние на структуру и свойства стали 65, 66 — Классификация 64
Припои — Метод оценки затекания в зазор 55, 50 — Метод оценки растекаемости 54 — Требования к ним 51
----для сплавов твердых 184 ----на медной и медно-никеле-
вой основах 401, 404—407
----оловянно-свинцовые 395, 397—401
----серебряные 401—403
Проба валиковая — см. Валиковая проба
Проволока пружинная термически обработанная — Стали для изготовления 203 — Характеристики механических свойств 203
----холоднодеформирован-
ная — Материал для изготовления — Отпуск 201 — Характеристики механических свойств 199
Прокаливаемость стали 313 — Способы определения 313—315
Прочность стали конструктивная 322 — Критерии оценки 30— 32
Р
Работа, затрачиваемая на зарождение трещины 29
---- затрачиваемая на развитие трещин 29, 32
---- излома 51
Реактопласты — Качественная оценка, методы переработки, назначение 618—627
----высокой, прочности — Изменение свойств под влиянием внешних факторов 666, 667 — Физико-механические и теплофизические свойства 662—666
----низкой прочности — Изменение свойств под влиянием внешних факторов 648 — Физико-механические и теплофизические свойства 641—645
----средней прочности — Изменение свойств под влиянием внешних факторов 660, 661 — Физико-механические и теплофизические свойства 658, 659
712
Предметный указатель
С
Свариваемость 45 — Методы оценки 45—51
Сварка сталей высокопрочных 223 — Виды 224 — Методы предотвращения сварных трещин 224
----коррозионностойких 227
Сдвиг относительный 20
----при кручении — Обозначение, определение 21
Силицирование 365, 368, 565, 566 — Методы, характеристики 367 Ситаллы 673 — Характеристики свойств 674
Соединение паяное — Выбор 53, 54
— Металлографические исследования 57
— Определение механических свойств 56, 57
— Факторы, влияющие на качество 51
Соединение сварное—Испытания на вязкость разрушения 51 — Испытания на статический изгиб надрезанных образцов 50, 51
— Испытания на ударный изгиб 51
— Критерии и методы его сопротивления образованию горячих трещин 47—49
— Определение его сопротивления образованию холодных трещин 49
— Определение механических свойств 46, 47
— Причины хрупкого разрушения 50
Сопротивление временное —
Обозначение, понятие 13 ----при растяжении — Обозначение, определение 15
Сопротивление истинное разрыву — Обозначение 15
— Определение 15
— Понятие 15
Сортамент болванок, заготовок, профилей, прутков 674—681 ----листов, лент, полос 682— 689
----проволоки 690—698
----тРУб 699—700
Сплавы алюминиевые деформируемые 465 — Коррозионная стойкость 465, 468, 472, 479, 483
— Марки, состав 466, 470, 473, 477, 480, 482
— Назначение 465, 468, 472, 479, 483
— Обработка термическая 468, 473, 478, 479, 483
— Полуфабрикаты 465, 467, 469, 472, 478, 484, 486
— Пределы длительной прочности и ползучести 482
— Характеристики механических свойств 465, 467, 468— 471, 474—478, 484—486, 488
Сплавы вольфрамовые 560, 561 Сплавы жаропрочные — Классификация 245
----на железо-никелевой основе 254, 255 — Назначение 254 — Пределы длительной прочности и ползучести 255
----на кобальто-никелевой основе 257 — Марки, пределы длительной прочности, состав 259
----на никелевой основе 254, 255 — Назначение 256 — Обработка термическая 256 — Полуфабрикаты 256 — Пределы длитель^ ной прочности и ползучести 257
Сплавы коррозионностойкие (кислотостойкие) — Марки, состав 244 — Обработка термическая 244 — Применение 186, 243
Сплавы магниевые — Назначение 507
----в чушках — Марки, состав 508
----деформируемые — Марки, состав, полуфабрикаты, назначение 518, 519 — Обработка термическая 517 — Характеристики свойств 515, 516, 520, 521
Предметный указатель
713
----литейные — Марки, состав, назначение 509, 510 — Обработка термическая 513 — Характеристики свойств 509—514
----со специальными физическими и химическими свойствами 455 — Марки, состав, назначение 456 — Характеристики свойств 457, 458
----сверхлегкие 521 — Марки, состав, назначение 522 — Свойства 521
Сплавы магнитно-мягкие —Марки; состав, основные характеристики 263 — Назначение 262, 266 — Обработка термическая 264, 265 — Характеристики магнитных свойств 264, 265
----магнитно твердые 266, 268 — Марки, состав, магнитные свойства 267, 269, 270 — Обработка термическая 266, 268 — Полуфабрикаты 268, 269
----медноникелевые 441 — Марки, состав, назначение 442, 443 — Характеристики свойств 444—446 — Полуфабрикаты 448
----молибденовые 556, 557 ----никелевые — Марки, со-
став, назначение 456 — Полуфабрикаты 455, 458 — Характеристики свойств 457, 458
Сплавы медные жаропрочные 459 — Марки, состав, назначение 460 — Режимы обработки, типы, полуфабрикаты 461 — Характеристики свойств 462, 463
----молибденовые 556, 557
----никелевые — Марки, состав, назначение 456 — Полуфабрикаты 455, 458
— Характеристики свойств 457, 458
----ниобиевые 550, 551
Сплавы пружинные 194, 195 —
Классификация 208
----высокоэлектропроводные 215
----коррозионностойкие 208, 210 — Марки, состав 209 — Режимы обработки 213
----немагнитные 210, 211 — Марки, состав, характеристики механических свойств, обработка термическая 212 — Режимы обработки 213
—с низким температурным коэффициентом модуля упругости 213, 215 — Марки, состав, характеристики механических свойств, режимы обработки 214
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением — Назначение 274 — Марки, состав 274 — Характеристики свойств 275—277
----с заданным температурным коэффициентом линейного расширения — классификация 271—Марки, состав, термическая обработка сплавов с минимальным ТКЛР 270 — Марки, характеристики свойств сплавов е заданным ТКЛР 273—274 — Назначение 271
----с особыми физическими свойствами — Виды 259 — см. также под их названиями, например: Сплавы магни тно-мягкие\ Сплавы с высоким электрическим сопротивлением
----танталовые 553
Сплавы твердые 178, 179 — Марки СССР, обозначение, характеристики 179, 180 —
Припои 184 — Флюсы 185 — Характеристики эксплуатационных свойств 181, 182
----нестандартные — Характеристики 183
Сплавы титановые 530, 547 — Коррозионная стойкость 533— Легирующие элементы 531, 533, 534
714
Предметный указатель
— Марки, состав 534, 535
— Назначение 547
— Обработка термическая 537
Сплавы цинковые антифрикционные 503 — Марки, состав 505 — Назначение 504, 506 — Характеристики свойств 504, 505
----для литья под давлением — Марки, состав, назначение 502
Стабилизаторы 600
Стали беспер л итные 93
----быстрорежущие — см. Стали инструментальные теплостойкие высокой твердости
Стали высокопрочные 215
— Назначение 216, 218 — Обработка термическая 218, 219 — Сварка и соединения сварные 223, 224
— Требования при конструировании и разработке технологии 220—223
----интенсивно стареющие (мартенситностареющие) — Азотирование 226 — Обработка термическая, состав 225, 226
----коррозионностойкие — Обработка термическая 227, 228 — Технология изготовления 226 — Состав, 226, 228 — Характеристики механических свойств 226— 228
----среднелегированные 215, 221, 223 — Марки свойств 217
Стали для отливок — Варианты технологического процесса 136
— Влияние состава на свойства 139, 141 — Диаграмма железо—углерод 137
— Классификация 137, 139
— Литейные свойства 135, 136— Марки, состав 144, 145
— Обработка термическая 142, 146 — Способы выплавки 138, 139 — Характеристики свойств 140
—— высоколегированная 147 — Классы, назначение 147
Стали жаропрочные — Классификация 245
----аустенитные — Марки, обозначения 250, 251 — Назначение 254 — Обработка термическая 251, 252 — Пределы ползучести и длительной прочности 253 ----мартенситно-ферритные — Назначение, обработка термическая 246
----мартенситные — Назначение 246 — Пределы длительной прочности и ползучести 248, 249
----перлитные — Назначение 250 — Пределы ползучести и длительной прочности 248, 249 — Характеристики механических свойств 247
Стали инструментальные
— Классификация 143, 148 — Назначение 143, 175—178 — Состав 143
----нетеплостойкие высокой твердости 148—155
----нетеплостойкие повышенной вязкости 155—159
----полутеплостойкие высокой твердости 159— 162
----полутеплостойкие повышенной вязкости 162, 163
----теплостойкие высокой твердости 164—171
Стали конструкционные автоматные
— Марки, обозначение, составы 125—126 — Назначение 101, 124 — Обработка термическая 106—118 — Характеристики механических свойств 127, 128
----для криогенной техники 132 — Марки СССР, обозначения, состав 132, 133 — Назначение 132 — Обработка термическая 84, 90, 106—118 — Требования 132 — Характеристики механических свойств 134
Предметный указатель
715
----легированные — Классификация 100 — Марки, состав 102—105 — Технологические свойства 120— 123 — Характеристики механических свойств 106— 119
----листовые углеродистые и низколегированные, работающие под давлением 129 — Марки, обозначения, состав 129
----низколегированные 93 — Марки 94, 95 — Характеристики механических свойств 96—99
---- северного исполнения 129 — Марки, характеристики 130, 131 — Назначение 132 — Требования к ним 129
----углеродистые качественные конструкционные 86—93
----углеродистые обыкновенного качества 73—85
Сужение образца относительное 14
Т
Тантал — Взаимодействие с различными средами 552, 553
— Получение и обработка 551, 552
— Применение 553, 554
— Характеристики свойств 552, 553
Твердость 33—36, 37
— Измерение — см. Измерение твердости
— Понятие 32
— Шкалы 35, 36
Тензочувствительность 277
Термопласты 599, 600 — Качественная оценка, назначение, методы переработки 604—618 ----высокой прочности — Изменение свойств под влиянием внешних факторов 666, 667 — Физико-механические и теплофизические свойства 662, 663
----низкой прочности — Изменение свойств под влиянием внешних факторов 636— 641 — Физико-механические и теплофизические свойства 628—635
----средней прочности — Изменение свойств под влиянием внешних факторов 649—657 — Физико-механические и теплофизические свойства 646, 647
Титан 525 — Коррозионная стойкость 529
— Марки, состав 528
— Способы получения 526
— Характеристики свойств 525, 527, 529, 530
Томпак 419
Трещины горячие — Обозначение 47
----кристаллизационные 47
----подсолидусные 47
Трещины холодные 223, 224 —
Образование 49 ТУ 6-05-898—71 625 6-05-905—71 609 6-05-1105—73 605 6-05-1309—72 613 6-05-1344—71 611 6-05-1422—71 617 6-05-1451—71 613 6-05-1522—72 607 6-05-1528—72 618 6-05-1543—72 615 6-05-1548—72 607, 624 6-05-1604—72 607 6-05-1625—73 626 6-05-1668—74 616 6-11-209—71 617 14-1-193—72 209 14-1-594—73 186 14-1-595—73 186, 187 14-1-631—73 186, 187 14-222-19—72 276 14-222-26—73 209 48-08-476—71 404 48-08-484—71 504 48-21-163—72 434 48-21-297—73 404 48-21-299—73 404 84-81—69 620 141-41—71 276
716
Предметный указатель
В-189—70 618 МБО.023.084 621 МБО.023.096 619 МБО.023.099 621 МБО.023.112 621 МБО.026.085 621 МП-44—55 621 МТО.023.065 620 МХП М613—55 624 МХП М1514—51 624 НИИ ПМ П-467—66 617 ПЗ—68 618 ПЗ—70 606 ПЗЗ—58 618 П400—609 624 П422—65 614 П513—66 614 П622—69 620 П666—69 616 П672—69 616 СП-31—66 622 Флюсы — Классификация 52 — Назначение 52, 53, 184 — Требования к ним 52 для алитирования металлов — Состав 566 для твердых сплавов — Характеристики 185 X Хладотекучесть пластмасс 608 Хромирование 365, 564, 565, 573 — см. также Обработка химико-термическая металлов для защиты от окисления диффузионным насыщением в порошковых смесях — Мето-
У ды, характеристики 366, 367
Углеродоазотирование — см. Азотирование стали жидкое Ударная вязкость — см. Вязкость ударная Удлинение образца остаточное 17 Ц Цементация 323 — Глубина слоя 323, 326, 327, 333 — Режимы 324, 325 — Свойства цементованных изделий 334, 336— 338 — Технология 327—334
Удлинение образца относительное после разрыва — Обозначение, определение 14, 15 — Понятие 14 при растяжении — Обозначение 16 Усталость — Понятие 22 коррозионная сталей высокопрочных 221 малоцикловая сталей высокопрочных 221 в твердом карбюризаторе 328 газовая 328, 329 подшипников качения 191, 194 Цианирование 170 высокотемпературное 360, 361 низкотемпературное — см. Азотирование жидкое подшипников качения 191, 194 Цикл напряжений — Понятие 23
Ф асимметричный 23 симметричный 23
Фарфор 668 — Характеристики свойств 672 Феррит 67, 72 Цинк — Марки, состав 500 — Характеристики свойств 501 Цинкование 368
Предметный указатель
717
Ч
Число твердости по Бринеллю 33
----по Виккерсу 34
----по Роквеллу 35
Чугун 368 — Виды отливок 369
— Жаростойкость и жаропрочность 373, 377—380
— Классификация 373
— Механические свойства 370— 376
— Назначение 368, 383—385
— Рост 373, 378
— Технологические свойства 390—392
— Усадка линейная 390, 392
— Физические свойства 383, 385—390
— Химические свойства 380— 382
Ш
Шероховатость поверхности — Требования для деталей из сталей высокопрочных 220
Штампуемость — Влияющие факторы 37, 38
— Показатели 38, 39
— Понятие 37
Chlpmaker.ru
Алла Юрьевна Акимова, Борис Николаевич Арзамасов, Ирина Александровна Арутюнова, Виктор Львович Балкевич, Анатолий Матвеевич Борздыка, Владимир Алексеевич Брострем, Елена Валентиновна Васильева, Борис Константинович Вульф, Юлий Александрович Геллер, Анатолий Сергеевич Гуляев* Михаил Ефимович Дриц, Владимир Николаевич Евсеев, Валентин Константинович Ефремов, Моисей Исаакович Жебин, Владимир Васильевич Зимин, Ольга Соломоновна Квурт, Юрий Михайлович Лахтин, Лев Израилевич Леви* Эдуард Ноевич Либерман, Анатолий Викторович Мельников, Александр Константинович Николаев, Александр Сергеевич Николаев, Ким Исаевич Портной, Яков Михайлович Потак, Дмитрий Антонович Прокошкин, Валентин Сергеевич Раковский, Александр Григорьевич Рахштадт, Евгений Александрович Скороходов, Владимир Александрович Федорович, Виктор Михайлович Шестопал, Григорий Ефимович Шпичинецкий, Ефим Самойлович Шпи* чинецкий, Рид Павлович Шубин.
СПРАВОЧНИК МЕТАЛЛИСТА том 3
Под ред. А. Г. Рахштадта и В. А. Брострема
Редактор издательства И. С. Трещалина Технический редактор А. И. Захарова Корректоры А. П. Озерова и А. А. Снастина
Переплет художника А. Я. Михайлова
Сдано в набор 2/Ш 1976 г. Подписано к печати 6/V11 1976 г. Т-06779.
Формат 84Х 1081/аз. Бумага типографская № 3. Усл. печ. л. 37,38.
Уч.-изд. л. 52,0. Тираж 125 000 (1-й з-д 1 — 40 000) экз. Заказ № 848. Цена 2 р. 76 к.
Издательство «Машиностроение», 107885, Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., д. 3
Ленинградская типография № 6 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли 193144, Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10
Издательство «Машиностроение»
НОВЫЕ КНИГИ
Выпуск 1977 года
АЛЫПИЦ И. Я., БЛАГОВ Б. Н. Проектирование деталей из пластмасс. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. 23 изд. л. (Б-ка конструктора), 1 р. 50 к.
БИДЕРМАН В. Л. Механика тонкостенных конструкций. 25 изд. л. (Б-ка расчетчика), 1 р. 60 к.
ГОЛЬДЕНБЛАТ И. И., БАЖАНОВ В. Л., КОПНОВ В. А. Длительная прочность в машиностроении. 20 изд. л., 1 р. 20 к.
ГРИШКО В. А. Повышение износостойкости зубчатых передач. 15 изд. л., 95 к.
Инженерные методы исследования ударных процессов. Изд. 2-е, перераб. и доп. 16 изд. л., 1 р. 75 к. Авт.: Г. С. БАТУЕВ, Ю. В. ГОЛУБКОВ, А. К. ЕФРЕМОВ, А. А. ФЕДОСОВ.
КАРПОВ Ю. К* Системы управления чертежными автоматами. 10 изд. л., 55 к.
КОТОВ И. И., ПОЛОЗОВ В. С., ШИРОКОВА Л. В. Алгоритмы машинной графики. 15 изд. л., 1 р.
КРАГЕЛЬСКИЙ И. В., КОМБАЛОВ В. С., ДОБЫЧИН М. Н. Основы расчетов на трение и износ. 35 изд. л., 2 р. 10 к.
МИНЕНКОВ Б. В., СТАСЕНКО И. В. Прочность деталей из пластмасс. 20 изд. л., 1 р. 30 к.
ПЕНКИН Н. С. Гуммированные детали машин. 15 изд. л., 95 к.
Планетарные передачи. Справочник. Под ред. В. Н. КУДРЯВЦЕВА и Ю. Н. КИРДЯШЕВА. 40 изд. л., 2 р. 25 к. Авт.: В. Н. КУДРЯВЦЕВ, Е. Г. ГИНЗБУРГ, Ю. Н. КИРДЯШЕВ и др.
ПОТУРАЕВ В. Н., ДЫРДА В. И. Резиновые детали машин. 15 изд. л., 95 к.
Прочность и надежность механического привода. Под ред. В. Н. КУДРЯВЦЕВА и Ю. А. ДЕРЖАВЦА. 20 изд. л., 2 р. 15 к. Авт.: Е. Г. ГЛУХАРЕВ, В. Л. ЛЕВАНОВ, С. Н. КИМ и др.
СОМОВ Ю. С. Композиция в технике. Изд. 2-е, перераб. и доп., 24 изд. л., 2 р. 50 к.
СУХАРЕВ И. П. Прочность шарнирных узлов машин. Справочное пособие. 12 изд. л., 80 к.
Цилиндрические эвольвентные зубчатые передачи внутреннего зацепления. Справочное пособие. 10 изд. л., 85 к. Авт.: И. А. БОЛОТОВСКИЙ, Б. И. ГУРЬЕВ, В. Э. СМИРНОВ, Б. И. ШЕНДЕРЕЙ.
ЧИЖЕВСКИЙ К. Г. Расчет круглых и кольцевых пластин. Справочное пособие. 13 изд. л., 80 к.
Приобретайте новые книги
издательства «Машиностроение»
в магазинах, распространяющих
техническую литературу}
Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
НОВЫЕ КНИГИ по экономике и организации машиностроительного производства
Выпуск 1977 года
Автоматизация процессов управления на универсальных базах материально-технического снабжения. 15 изд. л., 1 р. 05 к. Авт.: Н. А. ЛЕВИН, М. А. БОЯРЧЕНКОВ, В. П. КАЗАКОВ и др.
АНДРЕЕВ В. Н., СИДОРОВ Н. X. Внутрифирменный хозрасчет в машиностроении. 12 изд. л., 85 к.
БАШИН М. Л. Экономика опытных производств в машиностроении. 12 изд. л., 85 к.
ВАЛЬКОВ В. М., ВЕРШИН В. Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Изд. 2-е, перераб. и доп., 18 изд. л., 1 р.
ВАСИЛЬЕВ Г. А. Технико-экономические расчеты новой техники. Методика и практика. 15 изд. л., 95 к.
КАРДАНСКИЙ Л. Л., НАЙДИН Ю. В., ЧУДАКОВ А. Д. Централизованное управление машиностроительным оборудованием от ЭВМ. 18 изд. л., 1 р. 20 к.
Качество продукции и эффективность производства. Под ред. А. В. ГЛИЧЕВА и Л. Я. ШУХГАЛЬТЕРА. 20 изд. л., 1 р. 55 к.
КУЗИН Б. И. Организация поточного производства в условиях научно-технического прогресса машиностроения. 15 изд. л., 1 р.
МАНИЛОВСКИЙ Р. Г. Выявление и использование внутрипроизводственных резервов. 10 изд. л., 60 к.
НОВОЖИЛОВ В. И. Экономика использования металлорежущего оборудования. 12 изд. л., 75 к.
СЛАСТЕН КО Е. Н. Стимулирование поточного производства в машиностроении. 6 л., 35 к.
СМИРНОВ Е. Л. Научная организация труда в машиностроении. 20 изд. л., 1 р. 25 к.
ТКАЛИН И. М. Прогрессивные формы поточного производства. 15 изд. л., 1 р.
ШУХГАЛЬТЕР Л. Я. Управление качеством машин. 6 изд. л., 35 к.
ЮЗЕПЧУК С. А. Технико-экономические основы сборочных процессов в машиностроении. 20 изд. л., 1 р. 30 к.
Я КОБ АС В. А. Экономика ремонта оборудования на машиностроительных предприятиях. 10 изд. л., 70 к.
Приобретайте новые книги
издательства «Машиностроением
в магазинах, распространяющих
техническую литературу\